ausgabe 01 | 2012 journal · ausgabe 01 | 2012 journal ... ansys icepak, ansys cfd, ansys...

www.cadfem.de Ausgabe 01 | 2012

JOURNAL

Fertigungsprozesse in der FEM-Simulation

� Metallbearbeitung� Spritzgussbauteile� Umformkomponenten� Galvanoformen� Induktionshärten

Präzision durch Simulation

Aktuelle Informationen zur Simulation in der Produktentwicklung

Sustained growth and technical innovation are demonstrable andhopefully so are the attributes at the heart of this. I would like to take the opportunity to share these strengths while also re-inforcing our commitment to these values

Commitment to Customers

First and foremost is a shared commitment to customers. ANSYSwas the first simulation company to achieve international certifi-cations for quality and customer orientation. This has provided abase of over 40,000 global companies with a strong retention andcustomer loyalty. Customer support and services are a key role inthis, and CADFEM is rarely equaled in the quality of their supportand how it combines with ANSYS. We have even collaborated onjoint consulting projects with key European customers.

Commitment to Innovation

Secondly, our companies share a commitment to innovation. Thefact is that we have only scratched the ultimate potential of simu-lation, only recently unlocked by advances in computer hardware,networking and graphics. Witness the continued advances in com-puting power, coupled with high-performance computing and„clouds“, both private and public. As ANSYS continued to acquirebest-in-class technologies and invested around 15 % of everyDollar or Euro into new capabilities, CADFEM was also investingin innovative technologies and applications, including compositematerials and robust design. They were one of the first companiesto use the reduced-order modeling as used by ANSYS Simplorer,and developed a capability for hybrid electric vehicles (HEV) andbattery simulation.

Commitment to Quality

Of course, the greatest capabilities are virtually useless if they donot have a strong commitment to quality. How could one trust theresults if they were not known to be quality, and if the resultscannot be trusted, why spend the effort? ANSYS was the firstNQA, ISO 9000 and ISO9000:2001 certified product in ourspace. This was supported by CADFEM's commitment to quality,as for instance evidenced by its own ISO 9001:2008 certification.CADFEM has always led the way in quickly embracing our newtechnology, gaining deep expertise, and then effectively supportingthe user community. In every facet, they supported the ANSYSquality efforts.

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E D I T O R I A L

ANSYS & CADFEM, Power Engineered for Success:

ny quality system has to operate on multiple fronts.Overall excellence is measured by meeting performancetargets, quality targets and it must be sustainable. Ateam can accomplish things that one person could not.

A system cannot function without strong, reliable components.

Shared Vision

That philosophy lies at the heart of the long-standing relationshipof ANSYS and CADFEM. From the very beginning, over 25years ago, ANSYS and CADFEM shared a common vision ofelevating the stature and capabilities of engineering simulationand endeavor to make simulation a possibility for engineers inmany industries. It is an intense focus for us. I am personally gra-teful for the role CADFEM has played in partnering with ANSYSin continually trying to make Simulation-Driven Product Deve-lopment a reality.

Ties that Bind ANSYS and CADFEM

During this timeframe, ANSYS has extended its technical lead-ership and market leadership, and CADFEM has kept pace in somany ways. Very rare, indeed, is the relationship that can grow andactually strengthen over such a prolonged timeframe, and bothANSYS and CADFEM are stronger for our collaboration. It is a shared vision that unites us, and a shared set of values thatsustain us.

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James E. Cashman, CEO of ANSYS, Inc.

CADFEM JOURNAL Infoplaner 01 | 2012

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01 | 2012 CADFEM JOURNAL Infoplaner

Open and Collaborative

The ability and the willingness to actively partner represents atrue uniqueness, and not only with each other. Innovative relati-onships with major customers, the German ANSYS User Club,the ESOCAET education initiative and even the Technet Allianceare a testament to this commitment. These are not passing fads,but a demonstrated strength highlighted by longevity.

Grow, Evolve or Extinction

A commitment to growth, in capability, scope and scale is ne-cessary for long-term sustainability. Obviously, both companieshave grown technology and business levels, but we have also grownour reach by investing in support offices and infrastructurethroughout Germany, Austria, Switzerland, Eastern Europe andbeyond.

It is evidenced by witnessing the German ANSYS Conference& CADFEM Users’ Meeting, such as the one that I had thepleasure to attend in Stuttgart last autumn. The quality of theevent, the sheer immensity of it and the depth of the technicalcontent gives a great opportunity for interaction and sharingthroughout the simulation community.

Sustainable for the Long Term

A quality system, like the ANSYS and CADFEM partnership,must also be sustainable. Many customers have been with us fordecades and rely on the ability of our software and services tohelp meet their product innovation goals. This requires trust, notonly in the present capabilities, but a comfort that we can grow andinnovate into the future. Both com-panies have demonstrated a veryrare ability to take a stronglegacy built by the founders,and not only maintain this, butalso extend it.

Again, CADFEM has distin-guished itself. I witnessed this, per-sonally, as Dr. Günter Müller „retired“ (I am not sure he everreally will fully retire), and handed the reins of CADFEM to a newgeneration of leaders, who are doing remarkably well in main-taining the „heart“ of CADFEM. It is not very common forsuccess by a team when replacing a founding visionary, but thecurrent CADFEM organization continues to grow andprosper.

of Simulation Squared

What Does the Future Hold

So what should one expect for the future? While things in life areseldom guaranteed, we can look at the long-standing relationshipof ANSYS and CADFEM, the 40 years and 25 years, respectivelythat they bring. Combine this with the current collaborative rela-tionship between the companies, their customers and expandedeco-system. Witness the investment for the future that is beingmade, even now. The only thing I can currently envision is a con-tinued commitment to customers, a fanatical drive for furtheringsimulation technology, and uncompromising pursuit of quality.While we are not perfect, nothing ever is, we never cease in ourpursuit of continuing excellence.

This has led to the world’s largest simulation community, awell-earned reputation in Germany and beyond, and a partnershipthat has lasted the test of time and achieved what neither couldhave done alone. The future should be very exciting to see unfold.My thanks to CADFEM, ANSYS Germany, our customers, andthe user community for making it a reality every day.

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n Kassel, der Stadt der weltweit wich-tigsten Ausstellung für zeitgenössischeKunst „documenta“, sind in diesem

Jahr auch die Liebhaber von „The Art ofEngineering“ ganz in ihrem (Finiten)Element: Denn in den Räumen des Kon-gress Palais Kassel ist auf der ANSYSConference & dem 30. CADFEM Users’Meeting vom 24. – 26. Oktober 2012 diegrößte Sammlung zeitgemäßer Simula-tionen der technischen Realität zu sehen.

Simulationen sind zu einem unver-zichtbaren Werkzeug der modernen Inge-nieurkunst geworden. Wie vielfältig dasWirken der Berechnungsingenieure aus In-dustrie, Forschung und Lehre ist, spiegeltsich in den mehr als 200 erwarteten An-wendervorträgen wider: Sie beschreibenverschiedenste Facetten der Strömungs-mechanik, der Strukturmechanik, derElektromagnetik und der Multiphysik ein-schließlich detaillierter Modelle von kom-pletten Systemen.

Darüber hinaus erwarten die Teilnehmerin Technologie-Updates erste Impressionenkommender Programmversionen, Moduleund Strömungen der Simulation. In zahl-reichen Kompaktseminaren können sieselbst neue Simulationstechniken erlernenund in der großen Fachausstellung Ex-ponate und Installationen ergänzender Pro-dukte für die professionelle Anwendung derSimulation entdecken.

So vielfältig das Programm rund umdie simulationsgesteuerte Produktent-wicklung ist, so kurz und prägnant sind

ANSYS Conference & 30. Die Fachkonferenz zur numerischen Simulation

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die Werkzeuge, mit denen es gestaltet wird:Die ANSYS Programmfamilie mit demHerzstück ANSYS Workbench und einigeausgewählte komplementäre Lösungen,abgerundet durch die umfassendenService-Leistungen Ihrer ANSYS PartnerCADFEM und ANSYS Germany.

Wir freuen uns auf Ihre Teilnahme!

Weitere Informationen zur Veranstaltung,Vortragseinreichung, Beteiligung an derFachausstellung und Anmeldung:www.usersmeeting.com

THE ART OF ENGINEERING

CADFEM Users’ Meeting

www.usersmeeting.com

24. – 26. Oktober 2012 I Kongress Palais Kassel

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Mittwoch, 24. Oktober 2012

• Eröffnungsplenum• ANSYS Software-Neuheiten• ANSYS Workflow & IT• Schwerpunktthemen

Donnerstag, 25. Oktober 2012

• Anwendervorträge• caMe-Konferenz: Computer

Aided Medical Engineering• 10. CADFEM Forum• Abschlussplenum

Freitag, 26. Oktober 2012

• über 20 Kompaktseminare

Das Programm ist ab Ende Juli 2012 auf www.usersmeeting.com

verfügbar.

Vorläufige

Programmstruktur

04 CADFEM JOURNAL Infoplaner 01 | 2012

I N H A L T

C A D F E M

02 ANSYS Conference & 30. CADFEM Users´ Meeting 2012 in Kassel06 CADFEM im Portrait: Wir sind Simulanten!08 CADFEM News – Nachrichten von CADFEM & aus der Welt der Simulation12 CADFEM International: Das Dach für vielfältige Aktivitäten

T H E M E N S C H W E R P U N K T : P R O D U K T I O N

14 Präzision durch Simulation – Einleitung

16 VispaB: Prozessstabilität von Werkzeugmaschinen

Damit es weniger rattert20 Der Einfluss des Umformvorgangs auf die Bauteileigenschaften

Umform-vollendet22 Thermische Prozesse in der Produktion

Auf die Wärme kommt es an24 Oberflächenhärtung durch Induktion

Wie entsteht die harte Schale?26 Auslegung von kurzfaserverstärkten Spritzgussbauteilen

Kreuz & quer im Griff28 Schadensanalyse einer Galvanoform

Gefährliche Abkühlung

ANSYS bei CADFEM

32 ANSYS: Innovationstreiber34 Neue Zusatzlösungen für ANSYS34 ANSYS Software im Überblick

Präzision durch SimulationDer Schwerpunkt „Produktion“ gibt einen Überblick, wie das Zusammenspiel der FEM-Simulation mit verschiedenen Herstellprozessen in der praktischen Anwendung aussieht und welche Vorteile sich daraus für die Produktentwicklung und die Fertigung ergeben. Seite 14 – 29

Konstruktionsbegleitende Simulationmit ANSYS bei ABB

Hochspannendbis ins DetailAuch bei der Entwicklung von Hoch-spannungsprodukten wie den gas-isolierten Schaltanlagen setzt ABB aufCADFEM und ANSYS. Dieser Beitrag beschreibt die Vorgehensweise beim konstruktionsbegleitenden, CAD-nahenEinsatz von ANSYS und den Wert, den die Anwender in der Betreuung durchCADFEM sehen.Seite 38

01 | 2012 CADFEM JOURNAL Infoplaner 05

36 Tolle Helfer: Die CADFEM ihf Toolbox37 Komplementäre Software38 Konstruktionsbegleitende Berechnung mit ANSYS bei ABB:

Hochspannend bis ins Detail41 Strukturmechanik und Regelungstechnik:

Zwei Welten wachsen zusammen42 Traglastberechnung mit ANSYS bei Doppelmayr:

In sicherer Höhe

S o n d e r t e i l

45 CADFEM CAE-Weiterbildung bei esocaet

G r u n d l a g e n & T e c h n o l o g i e

53 Introduction into Model Order Reduction

R u b r i k e n

01 Editorial von James E. Cashman, CEO von ANSYS, Inc.

30 EmpfehlungenWarum hören wir nicht auf uns selbst?

56 Fachbücher und Software online bestellen im CADFEM Shop

www.cadfem.de/shop

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 [email protected]

www.cadfem.de

Redaktion/Koordination:

Alexander Kunz, [email protected]

Gerhard Friederici, [email protected]

Anzeigen:

Alexander Kunz, [email protected]

Layout:

G & K Design, Rechtmehring

Titelbild:

Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH

Produktion:

Bechtle Druck & Service, Esslingen

Auflage 35.000 Exemplare

Geschäftsführer:

Christoph Müller, M.Sc., Dr.-Ing. Jürgen Vogt,

Erke Wang

Handelsregister-Nummer:

HRB München Nr. 75979

Ust.-Ident.-Nummer:

DE 131171831

Steuernummer:

114/123/00051

Betriebshaftpflichtversicherung:

Zurich Gruppe Deutschland

Poppelsdorfer Allee 25-33

53115 Bonn

Geltungsbereich: weltweit

Copyright:

© 2012 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 insbe -

sondere 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, ANSYS Maxwell, ANSYS

HFSS, Ansoft Designer, SIwave, ANSYS Q3D

Extractor, ANSYS Simplorer, ANSYS RMxprt, ANSYS

PExprt, ANSYS nCode DesignLife, ANSYS Rigid

Dynamics, ANSYS SpaceClaim, ANSYS Composite

PrepPost, ANSYS HPC und alle Produkt- oder

Dienstleistungsnamen von ANSYS, Inc. sind regis-

trierte 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.

CAE-Seminare

FEM-Grundlagen · Elektromobilität · Medizintechnik

Festigkeitsnachweise · Bauwesen · Mehr als Struktur-

mechanik · Vertrieb, Qualität und Recht

Sommerakademien

CADFEM Forum

Zusammenarbeit mit Low-Cost CAE-Dienstleistern

CAE-Studium

Applied Computational Mechanics (M.Eng.)

Sommerschule für Doktoranden

Elektromagnetische Simulation /

Neu: Simulation in der Medizintechnik

CAE-Training

eFEM für Praktiker: FEM online erlernen

S. II / VI

S. III

S. IV / V

S. VII

S. VIII

U3 Hewlett Packard

44 Nafems

Inserentenverzeichnis

Sonderteil CADFEM CAE-Weiterbildung

European School of CAE TechnologySeite 45


C A D F E M I M P O R T R A I T

SimulationIn einer modernen Produktentwicklung istdie numerische Simulation eine Schlüssel-technologie, um Bauteile, Baugruppen undSysteme anhand von virtuellen Produkt-datenmodellen zu analysieren und zu op-timieren (Computer-aided Engineering,CAE). Eingesetzt in einer sehr frühenPhase des Produktentstehungsprozessesbietet CAE praxiserprobte Methoden, umZeit und Kosten bei Entwicklung und Fer-tigung zu reduzieren. Darüber hinaus istdie Steigerung von Kreativität, Innovationund Zuverlässigkeit ein wesentliches Zielder strategischen Nutzung von CAE.

Simulation von A bis ZCADFEM stellt seinen Kunden weltweitführende Simulationssoftware sowie Hard-ware bis hin zum IT-Management zur Ver-fügung. Die Kunden profitieren von einemindividuellen Komplettpaket. Neben einerausführlichen Beratung zur Anschaffungund Einführung oder zum Ausbau vonCAE bietet CADFEM die passende Aus-bildung und unterstützt die tägliche Simu-lationsarbeit. Auch im Rahmen von gemeinsamen Pilotprojekten und Auf-tragsberechnungen mit Know-how Trans-fer werden Kunden langfristig bedarfsge-recht begleitet. Von A wie ANSYS bis Zwie Zusatznutzen.

Erste Informationen aus erster HandCADFEM Informationstage

& Info-Webinare

Hier lernen Sie die Möglichkeiten der Si-mulation kennen – und CADFEM gleichmit! Kompakt an einem Tag erhalten Inte-ressierte einen themenspezifischen Über-blick über die technischen Möglichkeiten,die Vorgehensweise und die Einsatzgebietevon ANSYS oder einem anderen Pro-gramm. Die Teilnahme ist kostenfrei, dieInformationen sind technisch ausgerichtetund auf den Bedarf der Zielgruppe zuge-schnitten. Ein fester Bestandteil der Agendaist die Diskussion individueller Fragen.www.cadfem.de/infotagewww.cadfem.de/webinare

Den passenden Rechnergleich dazuCADFEM Hardware inklusive Installation

Sie möchten aus Ihrer Berechnungs-software durch die richtige Hardware-

Simulation nach MaßAls offizielles ANSYS Competence CenterFEM in Zentraleuropa setzt CADFEMvon Anfang an auf das breite Portfolio vonANSYS, Inc., dem größten unabhängigenHersteller von CAE-Software. Für die An-wender von ANSYS bedeutet das, dass sieaufgrund der einzigartigen Expertise vonCADFEM aus der vorhanden Technologiemöglichst hohen Nutzen ziehen können.CADFEM bildet aber auch eine Brückezur Softwareentwicklung bei ANSYS Inc.und leistet in enger Zusammenarbeit mitden Kunden eigene Beiträge zur Weiter-entwicklung der Software.

Ein weiterer Schwerpunkt vonCADFEM liegt in der Entwicklung indi-vidueller Simulationsprozesse durch An-passung von Standardsoftware an denWunsch des Kunden. Die reibungslose In-tegration der Simulation in ihre Produkt-entwicklung steht dabei im Vordergrund.

Simulation weltweitMit Partnerunternehmen in Deutschland,Osteuropa, Russland, Indien, China undden USA und als treibende Kraft hinterder TechNet Alliance, einem internationalaktiven Verbund unabhängiger Simulati-onsspezialisten ist CADFEM ein zentralerTeil des größten Netzwerkes zur numeri-schen Simulation weltweit.

Das Spektrum an Services

von CADFEM rund um die

numerische Simulation

geht weit über den Software-

vertrieb hinaus.

Extrasfür Sie

Mit mehr als 25 Jahren Praxiserfahrung und dem Know-how

von über 100 Berechnungsingenieuren ist das mittelständische

Familienunternehmen CADFEM der starke Partner von Industrie,

Forschung und Lehre für die numerische Simulation in der

Produktentwicklung in Zentraleuropa.

Wir sind Simulanten!


plattform das Optimum herausholen?Auch hier sollten Sie mit CADFEMsprechen. CADFEM ist Partner der be-kannten Hardwarefirmen wie HP, Fujitsuoder Dell, und kann die Anwender her-stellerneutral beraten. Kunden profitierenvon unseren Erfahrungen bei Benchmarks.Auch die Preise der Rechner sind attraktiv,betriebsbereite Konfiguration & Instal-lation der bestellten Programme inklusive.www.cadfem.de/hardware

Simulationssoftware nach BedarfeCADFEM: Software „on Demand“

eCADFEM ist ein Service, der bedarfsge-recht und mit genauer Abrechnung –daher besonders wirtschaftlich – dieNutzung vieler CADFEM Simulations-programme ermöglicht. Alternativ zum Li-zenzkauf bietet eCADFEM über Internetunmittelbaren Zugriff auf ANSYS undweitere Simulationslösungen. Insbesonderewenn Programme nicht regelmäßig ge-nutzt werden oder vorhandene Lizenzentemporär erweitert werden müssen, ge-währleistet eCADFEM ein Höchstmaß anFlexibilität und Kostenkontrolle.www.eCADFEM.com

Simulieren studierenCADFEM Training, Weiterbildung, Studium

Das CADFEM Schulungsangebot er-streckt sich für ANSYS und alle anderenProdukte von Einführungs- bis hin zu Ver-tiefungsveranstaltungen für Experten. Re-ferenten sind Mitarbeiter von CADFEMund externe Fachleute, die alle eine lang-

jährige Erfahrung mit dem geschulten Pro-gramm und Anwendungsgebiet mit-bringen. Seminare werden bei CADFEModer beim Kunden durchgeführt. Unterder Marke esocaet (European School ofComputer Aided Engineering Technology)bietet CADFEM ein hochkarätiges Wei-terbildungsangebot bis hin zum Master-studium (vgl. S. 45ff.).www.cadfem.de/seminarewww.esocaet.com

Der direkte DrahtCADFEM Anwendersupport

Ob Einsteiger oder Experte – bei Simula-tionsprojekten können sich immer Fragenergeben, durch die es ins Stocken kommt.Eine schnelle Antwort ist hier viel wertund deshalb ist der CADFEM Anwen-dersupport von Montag bis Freitagganztags zuverlässig und reaktionsschnellerreichbar: Per Telefon, Telefax, E-Mail,Internet, WebEx oder beim Kunden vorOrt.www.cadfem.de/support

IndividuelleProgrammanpassungCADFEM Customization

ANSYS und andere Softwareprogrammekönnen durch kundenindividuelle Lö-sungen erweitert oder zusammengeführtwerden. Auch diese programmiertechni-schen Anpassungen bietet CADFEM an.Bei den meisten Projekten geht es umANSYS Workbench. Deshalb wurde ein„Workbench Customization Team“ ge-bildet, das u. a. den pythonbasierten Ap-

plication Customization Toolkit (ACT)entwickelt hat. Aber auch die Anpassunganderer Produkte wird von den CADFEMEntwicklern abgedeckt.www.cadfem.de/customization

Simulation als DienstleistungCADFEM Berechnung im Auftrag

Über kompetent durchgeführte Simula-tionen im Kundenauftrag mit ANSYS undanderen Programmen hinaus sind Be-wertung, Nachweisführung und Dis-kussion der Ergebnisse wesentliche Teileunserer Dienstleistung. Dies ermöglichtauch den Know-How Transfer z. B. durchindividuelle Projektschulungen und Lö-sungen, die auf spezifische Aufgabenstel-lungen zugeschnitten sind.www.cadfem.de/consulting

Austausch unter AnwendernANSYS Conference &

CADFEM Users’ Meeting

Ohne Unterbrechung lädt CADFEM seit30 Jahren im Herbst zur Anwenderkon-ferenz, die heute unter dem Namen„ANSYS Conference & CADFEM Users´Meeting“ die wahrscheinlich größte jähr-liche Veranstaltung ihrer Art weltweit ist.Mit dem Co-Veranstalter ANSYS Germanyorganisiert CADFEM für Anwender undInteressierte regelmäßig ein umfassendesProgramm aus Beiträgen zur Technologie,Anwendervorträgen, Kompaktseminaren,einer großen Fachausstellung und einemattraktiven Rahmenprogramm.www.usersmeeting.com

Info

Deutschland | CADFEM GmbH

Software

Dr.-Ing. Volker Bäumer

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-51

[email protected]

Seminare

Thomas Nelson

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-47

[email protected]

Berechnung im Auftrag

Dr.-Ing. Marold Moosrainer

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-45

[email protected]

Hardware

Manfred Bayerl

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-39

[email protected]

Customization

Stefan Gotthold,

Tel. +49 (0)30-475 96 66-24

[email protected]

Hochschulen

Dr.-Ing. Cord Steinbeck-Behrens,

Tel. +49 (0) 511-39 06 03-17

[email protected]

Schweiz | CADFEM (Suisse) AG

Software

Markus Dutly

Tel. +41 (0) 52-3 68 01-02

[email protected]

Seminare

Fabian Bründler

Tel. +41 (0) 32-6 75 80-72

[email protected]


Dr.-Ing. Davide Valtorta

Tel. +41 (0) 52-3 68 01-01

[email protected]

Österreich | CADFEM (Austria) GmbH

Software

Alexander Dopf

Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-14

[email protected]

Seminare

Dr.-Ing. Bernhard Hößl

Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-11

[email protected]


Christoph Schlegel

Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-12

[email protected]


C A D F E M : N E W S

Design-Verbesserungen mit Hilfe von ANSYS haben dazu beige-tragen, dass Red Bull Racing bei den Formel-1-Meisterschaften2010 und 2011 sowohl die Fahrerwertung als auch die Konstruk-teurswertung gewonnen hat. Unter Verwendung der High Perfor-mance Computing (HPC)-Lösungen von ANSYS, die auch für um-fangreiche und detaillierte Simulationen rasch hochgenaueErgebnisse liefern, konnte das Red Bull Racing-Team das Renn-wagen-Design in einer virtuellen Testumgebung auf den Multicore-Rechenclustern des Teams kontinuierlich und zeitsparend opti-mieren. Die hierbei gewonnenen Einsichten verschafften dem Teameinen entscheidenden Geschwindigkeitsvorteil auf der Rennstrecke.

Während die strömungsdynamische Simulation inzwischen weitverbreitet ist, um die Luftumströmung an F1-Fahrzeugen vorher-zusagen und zu optimieren, erfordern die zeitlichen Beschränkungen,denen alle Teams ausgesetzt sind, rasche, zuverlässige und effizienteSimulationen mit hoher Genauigkeit. Als langjähriger Anwender derHigh Performance Computing-Lösungen von ANSYS profitiertRed Bull Racing dabei von den neuesten technischen Entwicklungen.Zur Lösung rechenintensiver Probleme werden Hochgeschwin-digkeitsprozessoren und zugehörige Technologien eingesetzt. DaANSYS mit jeder neuen Version wesentliche HPC-Verbesserungenrealisiert, ist das Red Bull Racing-Team nicht nur in der Lage, einegrößere Anzahl kleinerer Teilmodelle innerhalb des gleichen Zeit-raums zu lösen, sondern auch Modelle für das komplette Fahrzeugmit vielen hundert Millionen Zellen innerhalb dieser Zeit schnellerzu verarbeiten.

High Performance Computing von ANSYS entscheidendfür den F1-Erfolg von Red Bull Racing

Neben der großen ANSYS Conference & dem30. CADFEM Users’ Meeting vom 24. – 26.Oktober 2012 in Kassel (vgl. Seite 2) wird esin diesem Jahr wieder einige regionale „Users’Meetings“ geben. Hier ein Überblick:

ANSYS & CADFEM Conference Russia

11. – 12. April 2012, St. Petersburg,Russlandwww.cadfem-cis.ru

Symulacja 2012

19. – 20. April 2012, Wroclaw, Polenwww.mesco.com.pl

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„Die HPC-Technologie von ANSYS sorgt dafür, dass wir Ände-rungen schnell und wirtschaftlich testen und umsetzen können“,sagte Nathan Sykes, CFD Team Leader bei Red Bull Racing. „Da-durch können wir zwischen den Qualifikationsrennen am Freitagund Samstag Simulationsergebnisse für verschiedene Varianten be-trachten und unserem Aerodynamik-Team die wichtigen und zu-verlässigen Daten liefern, die es für die maßgeblichen technischenEntscheidungen für das Rennen am Sonntag benötigt.“www.ansys.com

ANSYS Conference &

CADFEM (Austria) Users’ Meeting

26. – 27. April 2012, Wien, Österreichwww.usersmeeting.at

ANSYS Conference &

17. Schweizer CADFEM Users’ Meeting

21. – 22. Juni 2012, Zürich, Schweizwww.usersmeeting.ch

ANSYS & SVSFEM Conference

for the Czech Republic and Slovakia

18. – 19. Oktober 2012, Prérov, Tschechienwww.svsfem.cz

Anwenderkonferenzen von CADFEM & ANSYS


Linear wave dynamics arise in a whole range of problems such as thevibrational response of mechanical and biological structures, acous-tics, radio waves, optics and quantum mechanics. The tasks at handmay vary considerably between disciplines - they all have one big chal-lenge in common: numerically modelling the wave response forcomplex structures or enclosures is difficult, especially if typical wavelengths are orders of magnitude smaller than the size of the system.

The techniques employed are conceptually very similar giving riseto potential gains in efficiency through interdisciplinary exchange ofknowledge.

This conference aims at bringing together experts from differentfields and from academia and industry to compare modern solutionstrategies and to discuss interesting wave phenomena. The emphasisis firmly placed on the applicability and scalability of the techniquesin real world and industrial settings. The conference aims to attractcontributions from participants with a background in

• structural vibrations and machine dynamics

• high frequency acoustics

• electromagnetic wave engineering

• numerical analysis for wave equations

• small wave length asymptotics

• wave chaos and random matrix theory

• mesoscopic physics, nano-sciencehttp://inutech.de/midea/events

Conference InnoWave 2012:Innovations in Wave Modelling

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CADFEM auf Tour: Treffen Sie uns

auf Messen & Kongressen

Die ganze Welt der Technologie an einem Ort

23. – 27. April 2012 in HannoverCADFEM Stand in Halle 7, Stand D40 (Digital Factory)www.hannovermesse.de

Alles zur Bauteiloptimierung durch Simulation

23. – 24. April 2012 in MünchenCADFEM Stand in der begleitenden Ausstellungwww.hanser-tagungen.de/simulation

Leistungselektronik/Intelligente Antriebstechnik/

Erneuerbare Energien/ Energiemanagement

8. – 10. Mai 2012 in NürnbergCADFEM Stand in Halle 12, Stand 12-516 (ANSYS)www.pcim.de

5. Internationale Fachmesse für Automation

und Mechatronik

22. – 25. Mai 2012 in MünchenCADFEM Stand in Halle B1, Stand 321B (Bayern Innovativ)www.automatica-munich.com

Technische Aspekte beim Design und Einsatz

von Steckverbindern

19. – 20. Juni 2012 in WürzburgCADFEM Stand in der begleitenden Ausstellungwww.steckverbinderkongress.de

Nähere Informationen zu den Veranstaltungen & [email protected]

„Computersimulationen haben

sich neben Theorie und

Experiment zur ‘Dritten Säule

der Wissenschaft’ entwickelt,“formulierte Bundesforschungsministerin Prof. Dr. AnnetteSchavan am 24. Februar 2012 anlässlich der Inbetriebnahme von„Hermit“, des schnellsten Supercomputers Deutschlands amHochleistungsrechenzentrum (HLRZ) der Universität Stuttgart.

InnoWave 2012: Innovations in Wave Modelling

September 3rd to 7th, 2012 in Nottingham


C A D F E M : N E W S

NetzwerkFormgedächtnislegierungen

Das Netzwerk „Effiziente Wertschöpfung bei Herstellung und An-wendung von Formgedächtnislegierungen“ (EffHA-FGL) ist einePlattform für Unternehmen aus allen Industriezweigen, die sich mitFormgedächtnislegierungen (kurz: FGL) beschäftigen oder an derenAnwendung interessiert sind. Ziel des Netzwerkes ist es, die Vorteilevon Formgedächtnislegierungen als „Multifunktionswerkstoff“durch neue Verfahren, Dienstleistungen und innovative Produktean neuen Märkten zu etablieren. Im Vordergrund steht dabei die effiziente Verbindung bisher getrennter Prozessschritte bei der Her-stellung, Verarbeitung und Adaption von FGL-Bauteilen.

CADFEM ist als der Partner für das Thema Simulation in diesem Netzwerk mit weiteren Kompetenzträgern der Formgedächt-nistechnologie verbunden: Memry GmbH, G. Rau GmbH, ComMaSIM UG, FG Innovation UG, ETO MAGNETIC GmbH,MeKo Laserstrahl-Materialbearbeitung, DIGALOG Industrie-Mikroelektronik GmbH, FFZ Feinmechanisches FertigungszentrumGlashütte GmbH, Otto Egelhof GmbH, A&E Applikation und Entwicklung Produktionstechnik GmbH, Alfmeier Präzision AGund Volkswagen AG

Das Netzwerkmanagement wird vom Fraunhofer-Institut fürWerkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) gebildet, welchesebenfalls viel Erfahrung mit FGL in die Netzwerkarbeit einbringt.

FGL-Workshop

Am 26. Juni 2012 findet in Dresden ein FGL-Workshop statt, beiwelchem ein Überblick über alle Bereiche – von der Materialher-stellung, über die Simulation bis hin zur Anwendung von Formge-dächtnislegierungen – gegeben wird.

Kontakt

Netzwerkmanagement: Linda Weisheit, Fraunhofer IWU,[email protected]

Ansprechpartner bei CADFEM: Dr.-Ing. Cord Steinbeck-Behrens,[email protected]

Weitere Informationen

www.fgl-netzwerk.de

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Neues CADFEM Firmenportrait

Anfang des Jahres wurde die CADFEM Firmenbroschürekomplett überarbeitet. Jetzt ist das neue Firmenportraitfertig. Wenn Sie also genau wissen wollen, mit wem Sie esbei CADFEM eigentlich zu tun haben, dann senden wirIhnen gerne Ihr persönliches Exemplar im Hochglanz-format zu.

caMe – Computer Aided Medical Engineering

Die Zeitschrift came, die von CADFEM herausgegeben undmaßgeblich mitgestaltet wird, erfreut sich bei Simulations-interessierten aus Medizin, Medizintechnik und Biomecha-nik wachsender Beliebtheit. Fordern Sie ein Probeexemplar& Infos zum Abonnement an.

Produktentwicklung mit (FE-)Methode

In einer 5-teiligen Serie in der Zeitschrift „Konstruktion“(Springer-VDI Verlag) haben CADFEM Mitarbeiter den prak-tischen Einsatz und Nutzen der FEM in der Produktentwick-lung beschrieben. Adressiert wurden die Themen Festig-keit, Verbindungselemente, Schwingungen, Material undFertigung. Daraus ist ein 24-seitiger Sonderdruck ent-standen, den wir Ihnen auf Wunsch gerne zukommenlassen.

Diese Publikationen können Sie formlos per E-Mailanfordern, natürlich kostenlos und [email protected]

Mehr Lesestoff von CADFEM:

Aktuelles rund um die Simulation


Mit der Niederlassung in Liederbach bei Frankfurt hat dieCADFEM GmbH Anfang Februar ihre 7. Geschäftsstelle inDeutschland eröffnet: Die CADFEM Geschäftsstelle Frankfurt wirdin Kooperation mit dem Ingenieurbüro Huß & Feickert (ihf) be-trieben, mit dem CADFEM schon seit vielen Jahren eng zusam-menarbeitet. Die Geschäftsstelle, die sich in den Räumlichkeitenvon ihf befindet, wird von Kristin Schuhegger geleitet. Adresse undKontaktinfos finden Sie auf der Rückseite dieses Heftes und unter www.cadfem.de/frankfurt

Neue CADFEM Geschäftstelle

in Frankfurt

Sie wollen nicht bis zum nächsten CADFEM Journal Infoplaner aufNeuigkeiten zur numerischen Simulation aus dem Hause CADFEMwarten? Dann abonnieren Sie einfach den CADFEM Newsletter, derSie alle zwei Monate mit aktuellen Informationen versorgt.Anmeldung: www.cadfem.de/newsletter

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Immer up-to-date:

CADFEM Newsletter

Mit einem Workshop zum Thema High Performance Computing(HPC) mit ANSYS im Bereich der Strukturmechanik beteiligtsich CADFEM aktiv am Programm des wohl wichtigsten HPC-Events überhaupt, der ISC Internationalen Supercomputing Con-ference. Diese findet vom 17. – 21. Juni 2012 in Hamburg statt.

Der ganztägige CADFEM Workshop zum Thema ANSYSHPC ist als sogenannter integrierter „Satellite-Event“ für den 19. Juni 2012 geplant. Workshop-Teilnehmerhaben Zugang zur ISC-Ausstellung und zumISC-Abend-Event an diesem Tag. Zudem be-steht die Möglichkeit, einen weiteren Tag aufder ISC zu günstigen Konditionen zu buchen.www.cadfem.de/isc

Mit CADFEM zur ISC International

Supercomputing Conference

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ANSYS Energietechnik und Leistungselektronik

ANSYS Antriebs- und Automatisie-rungstechnik

ANSYS Strukturmechanik


Der erste Schritt zum professionellen Einsatz der FEM: Nach den wichtigsten theoretischen Grundlagen lernen Sieden Workflow einer FEM-Simulation kennen. Im Hauptteilerfahren Sie anhand von vielen Praxisbeispielen die Mög-lichkeiten, wie Ihnen die FEM-Simulation im Bereich derStrukturmechanik neue Impulse und Möglichkeiten für Ihre Produktentwicklung liefert.Agenda, Termine, Anmeldeformular:www.cadfem.de/strukturmechanik

ANSYS Antriebs- und Automatisierungstechnik

Wie bekommen Elektromotoren, mechatronische Systemeund ihre Komponenten noch mehr „Drive“? Lernen Sie aufdiesem Infotag, wie Sie mit modernster Simulationstech-nologie von CADFEM und ANSYS mehr herausholen kön-nen. Holen Sie sich Tipps & Tricks in den Bereichen elek-trische Antriebstechnik, elektromechanische Systeme undAutomatisierungstechnik. Agenda, Termine, Anmeldeformular:www.cadfem.de/antriebe

ANSYS Energietechnik und Leistungselektronik

Vom elektronischen Bauteil zum System: Dieser Infotagrichtet sich an Entwickler aus der Energie- und Hochspan-nungstechnik und aus der Leistungselektronik, die über Simulationen elektrische Verluste von Generatoren, Trans-formatoren und anderen Energiewandlern minimierenwollen. Der zweite Schwerpunkt zielt auf die Optimierungvon Steckern, Kontakten, Schienen und Kabeln. Agenda, Termine, Anmeldeformular:www.cadfem.de/energie

Weitere Informationstage zu aktuellen Themen:www.cadfem.de/infotage

Info-Webinare zu aktuellen Themen:www.cadfem.de/webinare

Simulation erleben, kompakt und

kompetent: CADFEM Infotage


C A D F E M I N T E R N AT I O N A L

inerseits sind dies Firmen, die dasklassische CADFEM Geschäft in-ternational betreiben oder auchkomplementäre Lösungen zur

CAE-Technologie anbieten. Andererseitsgehören dazu mittlerweile aber auch Betei-ligungen an jungen Unternehmen, die sichauf andere Tätigkeiten konzentrieren, zumBeispiel auf Internet-Dienstleistungen.Während seiner mehr als 25-jährigen Firmengeschichte mit kontinuierlichemWachstum hat CADFEM immer die Unternehmensphilosophie verfolgt „Smallis beautiful“. Denn im Gegensatz zugroßen Firmen können kleine und mittel-große Firmen meist flexibler agieren. Außerdem übernehmen deren Mitarbeiterviel Verantwortung und ihre Identifizierungmit dem „eigenen“ Unternehmen ist sehrhoch. Dadurch, dass die Partnerfirmen derCADFEM International eng zusammen-arbeiten, können sie Synergien nutzen undihr Portfolio und ihren Wirkungskreis erweitern. Risikominderung, Haftungsbe-schränkung, Perspektiven für Mitarbeiter,aber auch steuerliche Vorteile sind weiterepositive Aspekte.

In den letzten beiden Ausgaben des Infoplaners haben wir einen Überblicküber CADFEM International mit den einzelnen Beteiligungen gegeben und dieFirmen virtu alcity SYSTEMS GmbH undSoftware Diagnostics GmbH vorgestellt.Hier folgt nun die roomeon GmbH.

CADFEM International:

Unter der in Aadorf (Schweiz) ansässigen CADFEM International AG (seit 1998) und der

CADFEM International GmbH (seit 2010) mit Sitz in Grafing sind Beteiligungen an kleinen und

mittelgroßen Firmen zusammengefasst.

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Das Dach für vielfältige Aktivitäten

realtime interior design

Die roomeon GmbH mit Sitz in Potsdam-

Babelsberg entwickelt die erste, einfach

zu bedienende 3D-Software der Welt, die

sich an Inneneinrichter, Architekten und

alle Menschen wendet, die einen Raum

gestalten möchten. Seit dem Projektstart

im August 2009 ist das Team inzwischen

auf neun Mitarbeiter angewachsen.

Neben Anwendungsentwicklern und Spe-

zialisten für das Umsetzen der Server-

Software sind auch die Bereiche Design

und GUI-Entwicklung, algorithmische

Geometrie, 3D-Modelling, Online-Re-

daktion, Support, Marketing sowie Ver-

waltung und natürlich das Manage ment

vertreten. Viele Mitarbeiter haben sich

mittlerweile zu regelrechten „Allroundta-

lenten“ entwickelt, sodass sich das kleine

Team oftmals übergreifend austauschen

kann. Bild

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Räume sind dreidimensional, folglich prä-sentiert sich auch roomeon dreidimen-sional. Allerdings ist 3D-Software meistkomplex: Die Bedienung gestaltet sich oftschwierig, die Einarbeitung ist langwierig.Deshalb hat sich roomeon auf ein mo-dernes und weltweit erfolgreiches Konzeptfokussiert: Keep it simple.

Durch die fotorealistische Echtzeitgrafikwird bereits während der Planungsphaseein hochwertiger und realistischer Ein-druck des Raumes vermittelt. Roomeonmacht die Gestaltung von Räumen soeinfach, dass per Drag & Drop neueMöbel, Wandoberflächen oder Vorhängeausprobiert und in ihrer Komposition auf-einander abgestimmt werden. Die inte-grierten Lichtfunktionen schaffen authen-tische Raumatmosphäre.

Professional richtet sich vor allem an De-signer und Architekten, die damit schnellund flexibel hochwertige Visualisierungenerstellen können. Doch damit nicht genug:Der Nutzer findet auf roomeon auch eineCommunity, in der er sich von anderenRaumdesign entwürfen inspirieren lassenoder sich zu seinen eigenen Ideen mit an-deren austauschen kann. Nicht zuletztsorgt hier auch das Feedback der Mit-glieder für eine schnelle Adaption vonFunktionen und konstante Weiterent-wicklung der 3D-Software.

Zusammengefasst: Mit roomeon kannjeder Räume gestalten, Stimmungen ent-werfen, die richtigen Möbel finden undsich ein klares, virtuelles Bild machen: Vonseinem eigenen Zuhause oder von neuenKreationen für seine Kunden.

Dabei ist die Auswahl an Einrichtungsge-genständen und Materialien immer aufdem neuesten Stand, denn der roomeon-Katalog bezieht seine Daten stets live ausdem Netz. Neben dem Produkt als 3D-Objekt finden sich auch Spezifikationen,Produktbeschreibung, Bemaßung und eineentsprechende Verlinkung zum Online-Shop des Händlers. Auf Wunsch ist derVerkäufer nur einen Klick weit entfernt.

Für Hersteller und Händler bietetroomeon die ideale Präsentationsfläche –ein unbegrenzter virtueller Ausstellungs -raum für Marken und Produkte. Damit istauch die Nutzung als eigene Planungs-lösung in Form einer sogenannten White-Label-Version möglich.

Roomeon steht dem Nutzer in drei Va-rianten zur Verfügung – Gast, Communityund Professional. Die ersten beiden sindkostenfrei, die kostenpflichtige Variante

InfoAnsprechpartner

Sebastian Heinzel

roomeon GmbH

[email protected]

www.roomeon.com

roomeon – die Software

für 3D Interior Design

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Präzisiondurch SimulationDie Möglichkeiten, die die numerische Simulation dem Produktentwickler heute bietet,

gehen weit über die eindimensionale Auslegung von Komponenten oder Baugruppen

hinaus. ‚Multiphysik‘, d.h. die Kopplung unterschiedlicher physikalischer Disziplinen

und ihrer Wechsel wirkungen untereinander, ist heute bereits fest etabliert. Neu und mit

einem signifikanten Effekt auf die Präzision der Simulation – und damit der Produkte –

ist der Austausch von relevanten Informationen mit dem Fertigungsbereich. Die

folgenden Seiten geben einen Überblick, wie dieses Zusammenspiel der numerischen

Simulation mit verschiedenen Herstellprozessen in der praktischen Anwendung

aussieht und welche Vorteile sich daraus für die Produktentwicklung ergeben.

CADFEM JOURNAL Infoplaner 01 | 2012

VispaB: Prozessstabilität von Werkzeugmaschinen

Damit es weniger rattert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 16

Der Einfluss des Umformvorgangs auf die Bauteileigenschaften

Umform-vollendet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 20

Thermische Prozesse in der Produktion

Auf die Wärme kommt es an . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 22

Oberflächenhärtung durch Induktion

Wie entsteht die harte Schale? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 24

Auslegung von kurzfaserverstärkten Spritzgussbauteilen

Kreuz & quer im Griff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 26

Schadensanalyse einer Galvanoform

Gefährliche Abkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seite 28

Inhalt Produktion


ziehen, frühzeitig Schwachstellen er-kennbar werden. Mehr dazu finden Sie aufSeite 16ff.

Anwendungen ausunterschiedlichen ProzessenWeitere Simulationsbeispiele beschäftigensich mit der Steuerung des Wärmeeintragsbeziehungsweise der Wärmeabfuhr zurVerbesserung der Prozessqualität (Seite22f.). Eine praktische Anwendung dazuliegt im Bereich der Galvanoformen, beidenen insbesondere eine rasche Abküh-lung erhebliche Lastspitzen hervorruftund teilweise zum Versagen der Bauteileführt (Seite 28f.).

In einem anderen Anwendungsbeispielwird das Induktionshärten untersucht, beidem eine Oberflächenhärtung durchhochfrequenten Wechselstrom realisiertwird (Seite 24f.). Für Entwickler vonBlechbauteilen wird von Interesse sein,dass jetzt Verfestigungswerte und Dicken-verteilungen aus der Umformhistorie un-mittelbar in die FEM-Simulation einbe-zogen werden können (Seite 20f.). Einweiterer Bericht beschreibt die Prozess-

kette für Bauteile aus faserverstärktenKunststoffen vom Spritzguss zur struk-turmechanischen Simulation. Dort er-möglicht die Materialsynthese parame-trische Studien zur Untersuchung derEinflüsse bei Veränderungen in den ein-zelnen Materialphasen, von der Matrixüber die Fasern bis hin zu zusätzlichenPartikeln (Seite 26f.).

In den Beiträgen wird deutlich, welchesNutzenpotenzial durch Simulationen imProduktionsprozess erschlossen werdenkann. Die Herausforderung ist, unter-schiedliche physikalische Disziplinen ge-meinsam zu betrachten und die Abhän-gigkeiten untereinander zu analysieren.Hier bieten die Systemsimulation und dieVerwendung von Modellreduktionen aufBasis von 3D-Feldsimulationen noch vieleweitere Möglichkeiten, um das Verhaltenvon Produkten in ihrem Gesamtkontextbesser zu verstehen und zu optimieren.

CADFEM war an fast allen vorge-stellten Projekten und Verfahren beteiligt.Sprechen Sie uns an, wenn Sie mehr da-rüber wissen wollen oder wenn Sie selbstnach Lösungen für vergleichbare Aufga-benstellungen suchen.

ualität, Zuverlässigkeit, Flexibi-lität und ein geringer Verbrauchvon Material und Energie sindin einem immer dynamische-

ren Wettbewerb eine Grundvoraussetzung,um mit innovativen Produkten erfolgreichzu sein.

Damit diese Anforderungen erfülltwerden können, ist eine interdisziplinäreZusammenarbeit der am Entwicklungs-prozess beteiligten Abteilungen – Kon-struktion, Simulation, Versuch und Fer-tigung – und eine möglichst barrierefreieZusammenführung ihrer Werkzeuge vonwachsender Bedeutung. So verdeutlichtbeispielsweise das ForschungsprojektVispaB, bei dem es um die Abhängigkeitenzwischen Zerspanprozess und Stabilitäteiner Werkzeugmaschine geht, die erwei-terte Rolle der Simulation.

Bei VispaB ist es gelungen, die Produk-tivität und Zuverlässigkeit einer Werk-zeugmaschine zu erhöhen, indem die Vibrationen („Rattern“) beim Zerspan-prozess nachhaltig reduziert wurden.VispaB zeigt anschaulich, wie mit Hilfevon FEM-Simulationen, die auch Para-meter aus anderen Fachbereichen einbe-

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eagiert eine Werkzeugmaschineauf die wirkenden Zerspankräftemit übermäßigen Schwingungen,spricht man von Rattern. Folgen

dieses Effekts sind eine unzureichendeOberflächengüte und Maßhaltigkeit desbearbeiteten Werkstückes. Zudem wird dieStandzeit des Werkzeuges eingeschränkt.Im Extremfall kann dies sogar zum Bruchder Werkzeugschneide oder des Werk-zeuges führen. Um dies zu verhindern,müssen in der Praxis die Schnittdaten(Schnitttiefe, Drehzahl und Vorschub) re-duziert werden, was zu einer sinkendenProduktivität führt (Bild 1).

Neben den Werkzeugmaschinen selbstwerden auch die entsprechenden Zer-spanprozesse schon seit längerer Zeit un-tersucht und simuliert. Jedoch wird bei derZerspansimulation die Nachgiebigkeit derMaschine oft nicht berücksichtigt und

sichtigt werden. Die FEM-integrierte Sta-bilitätssimulation in ANSYS ermöglichtdarüber hinaus, die Berücksichtigung vonKreuznachgiebigkeiten (zwischen zweiKoordinatenrichtungen) und die Visuali-sierung der Betriebsschwingungsform.Dies erleichtert dem Entwickler bereits die Schwachstellenanalyse der Strukturdeutlich.

Ein Konsortium aus Werkzeugmaschi-nenherstellern, Werkzeugherstellern, For-schungseinrichtungen und Software-

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folglich lassen sich die Abhängigkeiten zwi-schen Zerspanprozess und Stabilität derWerkzeugmaschine nicht abbilden. Liegengemessene oder berechnete Nachgiebig-keitsfrequenzgänge vor, kann die Dynamikeinzelner Koordinatenrichtungen in Formvon gefitteten Mehrmassenschwingern inder reinen Zerspansimulation berück-

VispaB: Prozessstabilität von Werkzeugmaschinen

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Finite-Element-

Methode (FEM) neben anderen Simulationsverfahren

einen festen Platz im Entwicklungsprozess von Werkzeug-

maschinen erobert. Durch verschiedene Optimierungs-

strategien wurden mit ihrer Hilfe die statischen und

dynamischen Eigenschaften der Maschinenstruktur

verbessert und die Produktivität und Zuverlässigkeit der

Maschinen deutlich gesteigert. Das letztliche Qualitäts-

merkmal einer Werkzeugmaschine – die Produktivität,

ausgedrückt in der Prozessstabilität – verschloss sich

bisher aber der simulativen Bewertung.

Damit es weniger rattert

Bild 1: Instabilitäten können die Produk-tivität der Maschine stark beeinträchtigen.


häusern entwickelte im Rahmen eines drei-jährigen Forschungsvorhabens eineLösung, um die Lücke zwischen der Si-mulation der Maschinendynamik und der Simulation des Zerspanprozesses zuschließen. Ziel des ForschungsvorhabensVispaB (www.VispaB.de, Virtualisierungder spanenden Bearbeitung in der Ma-schinenentwicklung und der Prozessopti-mierung – gefördert durch das BMBF, betreut durch den Projektträger PTKAKarlsruhe) war es, eine durchgängige Si-

mulationskette zu entwickeln, die es er-laubt, die Prozessstabilität spanender Be-arbeitungsprozesse zukünftig als verläss-liches Bewertungskriterium im Rahmender gesamten Entwicklungsprozesskettevon Produktionsanlagen zu nutzen.

Hierzu wurden basierend auf Refe-renzprozessen für die Fertigungsverfahren„Drehen“ und „Fräsen“ Prozessmodelleentwickelt, die in Kombination mit Ma-schinenmodellen von der Entwurfsphasebis hin zur Fertigungsplanung eine Ab-

schätzung der Leistungsfähigkeit der Pro-duktionsanlage erlauben. Somit könnenneue Bewertungskriterien in den Entwick-lungsprozess einbezogen werden, dieerstmals eine frühzeitige und weitgehendeBewertung des Maschinen- bzw. des Fer-tigungskonzeptes zulassen. Mit der nunvorliegenden durchgängigen Simulations-umgebung können Maschinen gezielt aufgeplante Prozesse hin optimiert werden(Bild 2). Die bisherige indirekte Bewertungdurch Nachgiebigkeitsfrequenzgänge kannBi

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so noch deutlich verbessert werden undquantitative Angaben zur Produktivitäteiner Maschine lassen sich bereits in derEntwurfsphase verifizieren.

FEM-integrierte Stabilitäts-simulation mit ANSYSIm Rahmen des Verbundprojektes VispaBerstellte CADFEM in enger Kooperationmit der Gebr. HELLER Maschinenfabrikund dem Werkzeugmaschinenlabor (WZL)der RWTH Aachen die in ANSYS inte-grierte Software-Lösung SK-Tool. Damitkönnen durch den Anwender sowohl inANSYS Workbench als auch in ANSYSMechanical APDL alle notwendigen Pro-zessdefinitionen erfolgen. Für die anschlie-ßende Auswertung der Berechnungser-gebnisse wurden geeignete Stabilitätskri-terien implementiert. Zur Berechnungeiner FEM-basierten Stabilitätskartemüssen vom Anwender folgende Para-meter definiert werden:



Bild 3: Zur Beurteilung der Prozessstabilität wurde unter anderem die Spandicken-modulation über der Zeit verwendet.

Bild 2: Das neue Simulationskonzept ermöglicht eine Abschätzung der Leistungsfähigkeit der Produktionsanlage von der Entwurfsphasebis hin zur Fertigungsplanung.

• Werkzeuggeometrie (Fräsen oder Dre-hen); Schneidenteilung (gleich oder un-gleich),

• Schnittkraftmodell (aus erweiterbarerDatenbank),

• Stabilitätskriterium,

• Spantiefe, Vorschub und Drehzahl (kon-stant oder variabel),

• Zeitschritt und Anzahl der Werkzeug-umdrehungen.

Für die Bestimmung der aktuellen Schnitt-kraft können unterschiedliche Zerspan-kraftmodelle hinterlegt werden. Standard-mäßig verfügbar sind im SK-Tool vonCADFEM ein lineares und ein exponen-tielles Modell (Kienzle), für das Schnitt-kraftkoeffizienten aus Referenzversuchenfür die jeweilige Werkzeuggeometrie unddie zu bearbeitenden Werkstoffe bekannt


sein müssen. Aus der aktuellen Ver-schiebung zwischen dem Werkzeugmittel-punkt (TCP – Tool Center Point) und demWerkstück kann dann die für den nächstenLastschritt wirkende Kraft am Werkzeugermittelt werden.

Als Kriterium zur Beurteilung der Pro-zessstabilität wurde im Rahmen des Pro-jektes die Spandickenmodulation über derZeit als ein geeignetes Maß ermittelt (Bild3). Aus dem Abstand zwischen Werkzeug-mittelpunkt und Werkstück lässt sich zujedem Zeitpunkt die aktuelle Spantiefe er-mitteln. Konvergiert die Spandickenakku-mulation gegen einen Grenzwert, liegt einstabiler Arbeitsprozess vor.

Die berechneten Stabilitätskarten wur-den mit in Versuchen ermittelten Wertenan einer HELLER H 5000 HPC (Werk-zeug Sandvik Coromant) abgeglichen. Umden Berechnungsaufwand für die sehrgroßen transienten FEM-Modelle zu be-grenzen, wurden alle Berechnungen mitCMS-reduzierten (Component ModeSynthesis) Modellen durchgeführt. Fürjeden im Diagramm aufgeführten Refe-renzpunkt müssen mehrere transiente Be-rechnungen durchgeführt werden (Bild 4).

Die im Rahmen des Forschungskon-sortiums VispaB von CADFEM erstelltenANSYS Routinen ermöglichen es den An-wendern, Maschinen bereits in der Kon-struktionsphase auf geplante Prozesse hinzu optimieren. In derselben Weise lassensich vorhandene Simulationsmodelle auchzur Prozessoptimierung bestehender An-lagen nutzen, so dass eine Werkzeugma-schine über ihren gesamten Lebenszyklusoptimal eingesetzt werden kann.

InfoAutor | CADFEM

Rainer Rauch

InfoAnsprechpartner| CADFEM

Ezzeddine Ammar, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0)711-990745-12

[email protected]

InfoVerwendete Software

ANSYS Workbench

InfoForschungsprojekt

VispaB – Virtualisierung der spanenden

Bearbeitung in der Maschinenentwicklung und

der Prozessoptimierung: gefördert durch das

BMBF, betreut durch das PTKA Karlsruhe.

www.VispaB.de

Info

Aus einer Pressemitteilung der Gebr. HELLER Maschinenfabrik

vom Oktober 2011:

„Mit den Forschungsergeb-

nissen ist es nun möglich, für

konkrete Zerspanprozesse

die maximale prozessstabile

Spantiefe über die Werkzeug-

bzw. Spindeldrehzahl direkt

zu berechnen, unter Berück-

sichtigung der gesamten

Prozess- und Maschinendy-

namik. Dies erfolgt über eine

sogenannte Stabilitätskarte.

Gegenüber der in der Praxis

schwierigen Interpretation

von simulierten Nachgiebig-

keitsfrequenzgängen

bezüglich Zerspanleistung

stellt diese Entwicklung

einen Quantensprung dar.

Um die Stabilitätskartenbe-

rechnung herum hat HELLER

eine neue Simulationskette

gebildet mit dem Ziel, aus

den Simulationsergebnissen direkt die Maschinenkomponenten zu identifizieren,

die eventuell für Ratterschwingungen verantwortlich sind. Weil die sich daraus

ergebenden konstruktiven Maßnahmen bereits in einer frühen Entwicklungs-

phase einer Werkzeugmaschine berücksichtigt werden können,

stellt dies eine sehr kostengünstige Möglichkeit dar, die techni-

schen Maschineneigenschaften zu optimieren. Ebenso liefern die

Simulationsdaten Hinweise für konkrete prozessstabilisierende

Maßnahmen.“

Bild 4: Die Spantiefe und die Ratterfrequenz wurden bei den unterschiedlichenDrehzahlen untersucht.

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InfoLiteratur

www.vispab.de/de/veroeffentlichungen.html



bwohl viele Simulationsanwen-dungen bereits einen hohen Rei-fegrad erreicht haben, kann ihrPotenzial noch deutlich ge-

steigert werden. Der Schlüssel dazu liegt inder Zusammenführung der verschiedenenSimulationstechniken zu einem Gesamt-prozess. Insbesondere Daten aus der Fer-tigungssimulation, die einen großen Ein-fluss auf die Bauteileigenschaften habenund deshalb unbedingt in der Funktions-simulation berücksichtigt werden müssen,können meist nur mit hohem manuellenAufwand zwischen den jeweiligen Anwen-dungen übertragen werden.

Der Bedarf an einer „barrierefreien“Datenübergabe zwischen verschiedenen

anderem gezeigt, welchen Einfluss die Um-formhistorie auf nachfolgende Simula-tionen ausübt. Dies ist nicht nur im Fahr-zeugbau von Bedeutung, sondern überall,wo es um dünnwandige Blechstrukturengeht.

Umformsimulation mit FTI FormingSuiteIm VIPROF-Projekt wurde der Umform-vorgang mit dem Programm FTI For-mingSuite simuliert. Mit der FTI FormingSuite der Firma Forming Technologies, Inc.(FTI) ist CADFEM aufgrund einer lang-jährigen Partnerschaft sehr gut vertraut.FTI hat den großen Vorteil, dass das Pro-

OSystemen stand im Mittelpunkt des For-schungsvorhabens VIPROF (vgl. auch S.53ff. im Infoplaner 02/2011). Im Rahmenvon VIPROF wurde eine Verknüpfung derProzesse Umformen – Fügen – Lackieren– Crash zu einer durchgängigen Prozess-kettensimulation realisiert, die sowohl inder Produktentwicklung als auch in derFertigungsplanung genutzt werden kann.Bauteileigenschaften wie z.B. Kaltverfes-tigung und lokale Wanddickenänderung,die das Produktverhalten beeinflussen,werden zwischen einzelnen Prozesssimu-lationen weitergegeben. Als Referenzobjektim Rahmen des VIPROF-Projektes dientedie für den Seitencrash relevante Bau-gruppe (Bild 1). Bei VIPROF wurde unter Bi

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Entwickler von Blechbauteilen kennen das: Bei der Datenübergabe zwischen der Fertigungs-

simulation und der strukturmechanische Bauteilauslegung klafft eine Lücke, die – wenn überhaupt –

nur mit zeitintensiver „Handarbeit“ überbrückt werden kann. CADFEM hat jetzt eine komfortable

Methode fertig gestellt, mit der Verfestigungswerte und Dickenverteilungen aus der Umformhistorie

unmittelbar in die FEM-Berechnung mit ANSYS Workbench einbezogen werden können.

Umform-vollendet

FTI Forming Module for ANSYS:

Der Einfluss des Umformvorgangs auf die Bauteileigenschaften


gramm einen inversen Solver für die Um-formsimulation nutzt. Im Gegensatz zu in-krementellen Solvern, in denen der spätereFertigungsprozess selbst eine wichtigeRolle spielt, erfordern inverse Verfahrennur die Materialkennwerte und die Bau-teilgeometrie. Diese Daten sind früh ver-fügbar und können unmittelbar verwendetwerden. Die schnelle Verfügbarkeit der Daten istnatürlich nur dann ein Vorteil, wenn si-chergestellt ist, dass sie auch zuverlässigsind. Die Überprüfung erfolgte bereits imRahmen des VIPROF-Projekts. Hier zeigtesich bei den wesentlichen Ergebnisgrößen„Dickenverteilung“ und „effektive plas-tische Dehnung“ eine sehr hohe Überein-stimmung der Ergebnisse, die mit dem in-versen Solver der FTI FormingSuite,einem inkrementellem Server und paralleldurchgeführten Messungen gewonnenwurden.

FTI FormingSuite in ANSYS Workbench Basierend auf den positiven Ergebnissenhat CADFEM den inversen Solver FTIFormingSuite in die Simulationsum-gebung ANSYS Workbench integriert. Zielwar, nicht nur eine Übertragung der Datenaus der Umformsimulation in die Struk-turmechanik zu realisieren, sondern die In-tegration der Umformsimulation in dengesamten Prozess zu ermöglichen. Nebender einfachen Anwendbarkeit der neuenLösung FTI Forming Module for ANSYSsollten auch die im Entwicklungsprozessauftretenden Produktänderungen schnellund effizient berücksichtigt werden.

Die Projektseite (Bild 2) zeigt die Inte-gration der FTI FormingSuite in einANSYS Projekt für eine strukturmecha-nische Berechnung. Basierend auf einer

zu analysierenden Baugruppe können für die relevanten Bauteile die einzelnenUmformsimulationen innerhalb ANSYSWorkbench durchgeführt werden. Der Anwender hat vollen Zugriff auf die FTIFormingSuite Oberfläche und derenFunktionalität.

Nach erfolgreicher Umformsimulationwerden in der strukturmechanischenAnalyse den einzelnen Bauteilen die Um-formergebnisse zugewiesen und auf dasNetz der Strukturmechanik übertragen. Inder anschließenden ANSYS Berechnungwerden dann die Verfestigung und die Di-ckenverteilung berücksichtigt. Diese habenzum Teil einen signifikanten Einfluss aufdas Simulationsergebnis. Auftretende Pro-duktänderungen können durch die voll-ständige Integration der FTI FormingSuitein ANSYS Workbench schnell und effi-zient betrachtet werden. Eine erneute De-finition des Workflows ist nicht erfor-derlich, da die FTI Forming Module forANSYS diese Änderungen erkennt undsämtliche Berechnungsergebnisse ein-schließlich Mapping aktualisiert.

3-Punkt Biegeversuch einer B-Säule Der positive Einfluss der Umformhistorieauf die Simualtionsergebnisse konnteanhand eines 3-Punkt-Biegeversuches va-lidiert werden [4]. Die B-Säule wird inder Simulation sowie im Versuch am Fußund am Kopf fest eingespannt. Belastetwird das System durch einen um die y-Achse gelenkig gelagerten Stempel. Eineebenfalls analysierte Variante mit beweg-lichen Auflagen ergab keine nennens-werten Unterschiede in den Ergebnissen.

InfoAutor

Sebastian Pinner, Volkswagen AG;

Tobias Menke, CADFEM GmbH

InfoAnsprechpartner | CADFEM

Tobias Menke, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0)511-39 06 03-20

[email protected]

InfoHinweis

VIPROF ist ein vom Bundesministerium

für Bildung und Forschung (BMBF) ge-

fördertes Projekt (Förderkennzeichen

O2PC1097), das vom Projektträger Karlsruhe (PTKA)

betreut und von CADFEM geleitet wurde.

InfoReferenzen

[1] Awiszus, B.; Bolick, S.; Brylla, U.; Pinner, S.; Schulz, M.:

Produktdatenmanagement in der Entwicklung

und Produktion von Fahrzeugen. Herbstausgabe

ProduktDaten Journal. - 16. 2009, 2, S. 39 – 43,

ISBN/ISSN: 1436-0403.

[2] Pinner, S. et al.: Einsatz inverser Solver innerhalb der

Prozesskettensimulation im Bereich Karosseriebau.

ANSYS Conference & 27. CADFEM Users‘ Meeting,

Leipzig, 2009.

[3] Pinner, S.: Prozesskettensimulation im Karosseriebau.

2. VIPROF Industriearbeitskreis, 22. November,

Stuttgart, 2011.

[4] Menke, T. et al.: Verbesserte Bauteilauslegung

durch Prozesskettensimulation. Tagungsband des

32. EFB-Kolloquium 2012.Bild

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Bild 2: FTI Forming Module for ANSYS

Bild 1: Seitencrash-relevante Baugruppe

Aus diesem Grund wurde die numerischeinfacher zu betrachtende fixierte Lage-rung bevorzugt.

Durch die Berücksichtigung der Um-formhistorie (Blechausdünnung und plas-tische Vergleichsdehnung) konnte einedeutliche Verbesserung des simuliertenVerlaufes der Kraft-Weg-Kurve erreichtwerden. Die Berücksichtigung der Um-formhistorie ergab eine Änderung der maximalen Kraft von 15,9 % und einedeutlich bessere Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen.



ie seit Jahren ständig steigendenEnergiepreise haben neue Rah-menbedingungen für die Pro-duktionstechnik mit sich ge-

bracht. Speziell die energieintensivenBranchen benötigen neue Ansätze, umdurch eine effiziente Produktion den stei-genden Kosten zu begegnen. Bereits imJahre 2005 hielten 97 % aller befragten Un-ternehmen das Thema Energieeffizienz für besonders wichtig (Deutsche Energie-Agentur GmbH, 2005).

Eine Möglichkeit zur Optimierung kri-tischer Produktionsschritte im Hinblick aufEnergieeffizienz und Prozessqualität ist dieNutzung der numerischen Simulation vonthermischen Vorgängen. Mit Hilfe derFinite-Element-Methode (FEM) lassensich die Ursachen für Qualitätsschwan-kungen erkennen und das Potenzial fürEnergieeinsparungen aufdecken.

Für eine realitätsnahe Beschreibungsolcher Prozesse stellt die Simulations-software ANSYS Modellierungsmöglich-keiten für verschiedene Arten der Wärme-übertragung zur Verfügung.

Die thermische FE-ModellierungAuf der Grundlage der FE-Methode lassensich die Fertigungsprozesse schnell undkostengünstig abstimmen, da die Auswir-kungen der relevanten Betriebsparameteran der gesamten 3D-Struktur untersuchtwerden können. Ein besonderes Merkmalder Modellierung mit ANSYS bestehtunter anderem in der Möglichkeit, elek-trische Heizsysteme direkt mit Multi-Feld-Elementen (wie SOLID236) zu be-schreiben, so dass bei temperaturab-hängigen Komponenten die Wechsel-wirkung effizient simuliert werden kann.Für das Modellieren von Kühl- und Heiz-wasserkreisläufen (Heat-Pipes) stehenzudem spezielle Rohrströmungselemente(FLUID116) zur Verfügung, die ohne einedetaillierte CFD-Analyse den Wärme-transport erfassen. Darüber hinaus könnenfür einen höheren Anspruch an den De-

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Bei vielen Fertigungsverfahren wird Wärme gezielt eingesetzt um

Werkstoffeigenschaften zu beeinflussen. Viele Ur- und Umform-

verfahren, sowie Prozesse des Beschichtens und Werkstoffbehan-

delns werden erst durch gezielte Temperatureinflüsse technisch

nutzbar. Spritzgießen, Extrudieren und Presshärten sind nur einige

Beispiele für Fertigungsverfahren, bei denen eine kontrollierte

Temperaturbehandlung essentiell ist. Eine optimierte Steuerung

des Wärmeeintrags beziehungsweise der Wärmeabfuhr verbessert

die Prozessqualität, führt zu höheren Produktausbeuten (First-

Pass-Yield) und verringert die Produktionskosten.

Bild 1: Schematische Geometrieeiner Spritzgussvorrichtung mit überlagerter Temperatur-verteilung.

Auf die Wärmekommt es an

Thermische Prozesse in der Produktion

� Wo positioniere ich Wärmequellen

und Temperaturfühler?

� Wie erreiche ich eine homogene

Temperatur bzw. einen bestimm-

ten Temperaturverlauf?

� Wie lange dauern Aufwärm- und

Abkühlprozesse?

� Wie viel Heizleistung ist für den

Prozessschritt notwendig?


tailgrad auch gekoppelte CFD-Strö-mungssimulationen durchgeführt werden.

Für eine komplette Prozessbeschrei-bung ist neben den 3D-Modellen derKomponenten auch der Signalfluss vonBedeutung, zum Beispiel die Regelung derHeizleistung zur Temperaturführung. Diedafür erforderliche Simulation im Zeitbe-reich kann die optimalen Fertigungspara-meter für die Produktionslinie bestimmen.Mit Hilfe von ANSYS Simplorer lassensich technische Systeme als Blockdia-gramm, Schaltungen, Zustandsgraphen

Punkten, die benötigte Heizleistung undresultierende Aufwärm- und Abkühlzeitenuntersucht werden, um den Fertigungs-prozess im Hinblick auf Qualität, Zy-kluszeit und Energieeffizienz zu ver-bessern. Eine genaue Systembeschreibungbildet außerdem die Grundlage für einesystematische Untersuchung von Stör-größen, so dass der Fertigungsprozess aufeine hohe Robustheit ausgelegt werdenkann.

Durch die Integration des Signalflussesin seine FEM-Simulation kann der be-

Spritzgussform sowie eine entsprechendeTemperaturverteilung zu erkennen. DerKunststoff wird durch eine Düse in diezweiteilige Form gespritzt, wobei eine elek-trische Heizwendel die Einspritzdüse er-wärmt und somit ein frühzeitiges Erstarrendes Polymers verhindert. Außerdem wirddie Spritzgussform durch zwei Wasser-kreisläufe um die Kavität gekühlt.

Als Eingangsparameter des reduziertenModells werden die elektrische Verlust-leistung der Heizwendel und die Eintritts-temperatur des Wassers in den Kühl-

InfoAutor | CADFEM

Daniel Bachinsiki Pinhal, CADFEM GmbH


Jens Otto, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0)8092-7005-17

[email protected]

InfoVerwendeteSoftware

ANSYS, ANSYS Simplorer

u.a. bequem beschreiben. Darüber hinauslassen sich diese unterschiedliche Be-schreibungsarten miteinander kombi-nieren. Erfahrungsgemäß ist die Co-Si-mulation von Signalfluss und FE-Modellein rechenintensiver Vorgang, so dass sichzunehmend Verfahren zur Modellord-nungsreduktion etablieren. Daten einervorgelagerten FEM-Analyse können alsGrundlage für die Reduktion herange-zogen werden.

Diese mathematisch reduzierten Mo-delle (Zustands-Matrizen, Kennfeld-modelle) beschreiben den eindeutigen Zusammenhang zwischen festgelegtenEingangs- und Ausgangsgrößen, bei-spielsweise die Eingangsleistungen undTemperaturen an Messpunkten. Mit denreduzierten Modellen wird die Prozesssi-mulation wesentlich schneller, ohne dassdie Genauigkeit signifikant darunter leidet.Außerdem ermöglichen die reduziertenModelle eine einfachere Optimierung derProzessparameter.

Eine solche ganzheitliche Systembe-schreibung liefert belastbare Ergebniswertein sehr kurzer Zeit. Dabei können unteranderem Temperaturen an definierten

rechnende Konstrukteur das vorhandeneOptimierungspotential erkennen, da dietatsächliche Produktgestaltung im Zusam-menspiel mit den Prozessbedingungenanalysierbar ist. Gleichzeitig erhält der Re-gelungstechniker mit den FEM-basiertenVerhaltensmodellen eine realitätsnahe Be-schreibung der Regelstrecke, die als Basisfür eine praxistaugliche Reglerdimensio-nierung dient.

Typischer Simulationsplanam Beispiel SpritzgussBeispielsweise geht es bei Spritzgießpro-zessen oft darum, eine definierte Tempe-ratur in der Kavität sicherzustellen. Bei einigen Verfahren (wie Heißkanal-Spritz-guss) muss zusätzlich innerhalb des An-gusssystems ein bestimmtes Temperatur-niveau gehalten werden. Dafür werdenverschiedene Heiz- und Kühlsysteme ein-gesetzt, deren Heizelemente und Kühl-kreise zielgenau positioniert werden, umbeispielsweise die gewünschten Tempera-turen in möglichst kurzer Zeit zu erreichen.

Im Bild 1 sind schematisch die wesent-lichen Komponenten einer typischen

kreisläufen definiert. Als Ausgänge des Re-gelkreislaufes werden die Temperaturen anPunkten in der Nähe der Kavität (Mess-punkte 1 und 2) und der Einspritzdüse(Messpunkt 3) betrachtet.

Abschließend kann festgestellt werden,dass bei der Auslegung von Produktions-anlagen die FEM-Methode in Kombi-nation mit der Modellordnungsreduktiondie Optimierung hinsichtlich auf Prozess-qualität, Durchsatz und Energieeffizienzerleichtert. Darüber hinaus können schnellzu berechnende Modelle erzeugt werden,die das thermische Verhalten von Struk-turen realitätsnah wiedergeben. Außerdemunterstützen diese Modelle der Regel-strecke die Definition einer geeignetenTemperaturregelung.

Bild 3: Temperaturverlauf an den drei Messpunkten.Bild 2: Systemsimulation mit eingebettetem Thermikmodell.



ie Wirbelströme, die bei hoherFrequenz auftreten, haben die be-sondere Eigenschaft, oberflä-chennah zu fließen und ermög-

lichen damit eine Aufheizung in der Näheder Oberfläche. Dieses Phänomen ist alsobestens geeignet, eine Oberflächenhärtungim industriellen Maßstab zu realisieren.Wird der hochfrequente Wechselstromdurch die Induktion aus einer Primärspuleerreicht, nennt man das Verfahren Induk-tionshärten.

In der industriellen Anwendung wirddas Werkstück häufig unter einer odermehreren Induktionsspulen hindurchge-führt, um eine gleichmäßige Erwärmungzu gewährleisten. Eine effiziente Art derHärtung wird erreicht, wenn der Erwär-mungsprozess und der anschließende Ab-kühlungsprozess kontinuierlich ablaufen,z.B. wenn das Werkstück aus einem Bandoder einem großen rotierenden Objekt be-steht. Hier soll nun die Induktionshärtungan einem solchen Beispiel dargestelltwerden.

Wirbelstromverteilungim WerkstückDas Bild 1 zeigt die prinzipielle Anord -nung, bestehend aus der Induktorwindungaus Kupfer, die von innen wassergekühltwird, einem Joch aus magnetischem Ma-terial und dem sich geradlinig bewegendenWerkstück. Für die Simulation sind zwei

rechnet werden. Ergebnis der elektromag-netischen Rechnung ist die Wärmegenera-tionsrate, die der Joule’schen Verlustlei-tungsdichte entspricht. Im Gegensatz zurelektromagnetischen Domäne, in der diecharakteristischen Zeiten (Periodenlänge)im Bereich unter einer Millisekunde liegen,sind die charakteristischen Zeiten in derthermischen Domäne eher im Bereich vonSekunden. Für die Lastübertragung zurthermischen Domäne wird also eine zeit-liche Mittelung der Wärmegenerationsrateüber eine Periode nötig. Diese gemittelteWärmegenerationsrate kann dann zur ther-mischen Domäne als Last übertragen wer -den. Die Kopplung der beiden Domänenwird als Lastvektorkopplung bezeichnet.

DDomänen zu betrachten, die elektromag-netische Domäne, bestehend aus den obengenannten Bauteilen und der Umge-bungsluft, sowie die thermische Domäne,die auf das unendliche Band beschränktwerden kann.

In der magnetischen Domäne ist zu beachten, dass zwar der Strom in der Pri-märspule harmonisch (sinusförmig) fließt,jedoch die Wirbelstromverteilung im Werkstück einen nicht harmonischen Zeit-verlauf aufweist, da das Stahlband einenichtlineare magnetische Materialeigen-schaft besitzt. Also muss die magnetischeDomäne nichtlinear transient über mehrerePerioden des Stromes bis zum Erreichendes eingeschwungenen Zustandes be-

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Für die Härtung von Stahl muss der zu härtende Bereich

des Werkstückes über eine Temperatur von ca. 800 °C

(Austenitisierungstemperatur) erwärmt und anschließend

schnell bis unter etwa 500 °C abgekühlt werden. Der Prozess

der Erwärmung kann durch Heizen mit Gas, durch Gleichstrom

oder durch hochfrequenten Wechselstrom erfolgen.

Bild 1: Für die Simulation des Induktionshärtens sind die elektromagnetischeund die thermische Domäne zu betrachten.

Wie entsteht dieharte Schale?

Oberflächenhärtung durch Induktion


Erwärmung erfolgt nicht homogenDie Erwärmung des Bandes erfolgt nichthomogen, sondern örtlich und zeitlich vari-ierend durch die importierte Wärmegene-rationsrate sowie die Wärmeleitung im Werk-stück. Zusätzlich muss die Abkühlungberücksichtigt werden, die in diesem Bei-spiel durch eine geeignete orts- und tempe-raturabhängige Konvektion realisiert wird.

Während der Erwärmung ändert dasWerkstückband seine elektrischen undmagnetischen Materialeigenschaften. Beisehr hohen Temperaturen verliert es sogarseine ferritischen Eigenschaften. Das heißt,die Temperatur muss aus der thermischenRechnung auf die magnetische Domäneübertragen werden, um die Materialeigen-schaftsänderung lokal aufgelöst zu be-rücksichtigen. Gleichzeitig bewegt sich dasBand während der Erwärmung gegenüberdem Induktor. Nun spielt zwar die Bewe-gungsgeschwindigkeit des Bandes keineRolle für die Erzeugung von Wirbel-strömen, aber die Wirbelströme sind imBand nicht örtlich konstant. Eine Variante,dies zu simulieren, wäre das Schieben desBandes durch das Berechnungsgebiet.Dafür würde aber nicht nur ein sehr langesBand in der thermischen und elektromag-netischen Domäne benötigt, sondern derMechanismus des Gleitens müsste auchnoch in die magnetische Domäne inte-griert werden. Hier wurde eine effektivereMöglichkeit gewählt: Statt das Band zu be-wegen, wird die Temperaturverteilungdurch das Band bewegt. Dies geschiehtdurch Interpolieren der Anfangstempera-turen für einen folgenden Zeitschritt beimNeustart der transienten thermischenAnalyse vor jedem Zeitschritt.

Wenn nun der thermische Zeitschrittdurchgeführt wurde, müssen die Tempe-

raturen an das elektromagnetische Modellzurückgegeben werden, um die Material -eigenschaften temperaturabhängig zu be-rechnen. Der Veränderung der magneti-schen Materialeigenschaften kommt einebesondere Bedeutung zu: elementweisewerden die zur jeweiligen Temperatur pas-senden BH-Kurven per Skript den Ele-menten mitgeteilt. Um in der nachfol-genden elektrischen Periode den Aufwandfür das Einschwingen zu vermeiden, wirdauch hier mit dem Neustart gearbeitet. Derkomplette Ablauf wird dann wiederholt, bisdas gesamte System eingeschwungen ist.

Dünne Schichtensind notwendigFür das Netz sind die Besonderheiten derOberflächenselektivität zu berücksichtigen.Bild 2 zeigt eine typische Netzkonfigu-ration, die mittels sogenannter „InflationLayer“ realisiert werden kann. Die sich er-gebenden Stromdichten über die Materi-aldicke für kleine und große magnetischeFeldstärken verdeutlichen, dass eineAnzahl dünner Schichten notwendig ist,um die Stromdichteverteilung ausreichendgenau darzustellen.

Damit der Lösungsablauf einerseitsnachvollziehbar und andererseits aucheinem möglichst großen Anwenderkreiszugänglich wird, wurden alle erforder-lichen Schritte mittels „Kommando-Schnipsel“ in ANSYS Workbench einge-bracht. Dabei wird ausgenutzt, dass ausdem elektromagnetischen Analysesystemdie Elementeigenschaften und Lasten mitHilfe sogenannter Physics-Dateien in dietransiente thermische Analyse übertragenwerden kann. Hier lässt sich dann auch derkomplette transiente Ablauf steuern. InBild 3 wird die sich ergebende Tempera-turverteilung dargestellt.

Dieser Workflow dient uns als Standardfür verschiedene Erwärmungsaufgabenmittels Wirbelströmen und ermöglicht, denkompletten Ablauf zu simulieren. Zu-sätzlich ergeben sich daraus Vorteile be-züglich der Optimierung mit Hilfe von Parameterstudien sowie erweitere Ein-blicke in den gekoppelten Prozess, um dasVerständnis zu vertiefen.

Bild 2: Für das Netz sind die Besonderheiten derOberflächenselektivität zu berücksichtigen.

Liste der verwendeten Verfahren

und Hilfsmittel:

● nichtlineare transiente

elektromagnetische Analyse

● zeitliche Mittelung der

Wärmegenerationsrate

● Lastvektorkopplung für

Joule’sche Wärme

● orts- und temperaturabhängige

Konvektion

● transiente thermische Analyse

mit Restart

● Kopie und Interpolation

der Anfangstemperatur zur

Bewegungssimulation

● BH-Kurve elementweise

temperaturabhängig

● Elementschichtung von außen

● Physics-Konzept in der Workbench:

Kopplung von Analysis Systems

Info

InfoAutor | CADFEM

Martin Hanke, CADFEM GmbH


Martin Hanke, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0)30-4759 666-22

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InfoVerwendeteSoftware

ANSYS Mechanical/EMAG

Bild 3: Beim Induktionshärten wird die dargestellteTemperaturverteilung durch Simulation ermittelt.

m sehr kostengünstigen Spritzguss-verfahren erzeugte Bauteile aus kurz-faserverstärkten Thermoplasten gebendem Konstrukteur einen großen Ge-

staltungsspielraum. Dafür muss er sich al-lerdings auf die Besonderheiten dieser ver-stärkten, also heterogen aufgebautenWerkstoffe einstellen. Anstelle einer Be-schreibung durch globale Kennwertemüssen bei der Materialmodellierung neueMethoden angewendet werden. Mit diesengilt es aus Mikrostruktur, Matrix, Fasernund anderen Inklusionen unter Angabe derrelevanten Eigenschaften und des jewei-ligen Massenanteils ein Werkstoffmodellzu komponieren.

tungsverhalten des Werkstoffes zu berück-sichtigen. Die wesentlich steiferen Glas-oder Kohlefasern verhalten sich hingegennahezu linear bis zum Bruch. Dadurch er-geben sich erhebliche Unterschiede beimVergleich der Steifigkeiten quer und längszur Hauptfaserrichtung (Bild 1). Fernersind die Temperatur und die Belastungs-geschwindigkeit von Bedeutung.

Hier kommt die Software DIGIMATins Spiel: Mit ihr kann das Verhalten vonheterogenen Werkstoffen auf der Grund-lage ihrer Mikrostruktur beschrieben undvorhergesagt werden. Dazu werden ge-eignete Materialgesetze synthetisiert, diemit FEM-Programmen zur Analyse kom-plexer Bauteile gekoppelt werden könnenund die resultierende Faserlage aus einervorangegangenen Simulation des Spritz-gießprozesses berücksichtigen.

Spritzgussprozess –Werkstoffmodell – FEM Die Einbettung der Werkstoffmodellierungin eine durchgängige Simulationsum-gebung ist entscheidend für einen effi-zienten Produktentwicklungsprozess. Des-halb bietet DIGIMAT speziell für ANSYSein eigens konzipiertes Menü, das den Be-nutzer durch alle notwendigen Schritteführt, ohne dass er ein Werkstoffspezialist


IDiverse Einflussfaktoren

Einen wesentlichen Einfluss auf die Mi-krostruktur übt die Orientierung der Fa-serpartikel aus, die sich aus dem Spritz-gussprozess ergibt. Die unterschiedlicheAusrichtung der Fasern führt zu einer sig-nifikanten Variation der lokalen Material-steifigkeiten in Verbindung mit einem starkanisotropen Verhalten. Kritische Bereiche,in denen die Faserorientierungen aufengem Raum stark variieren, zum BeispielBindenähte, gehören zu den besonderenHerausforderungen, die über Simulationbeherrschbar werden. Vor allem in diesenBereichen ist auch das nichtlineare Belas-

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Ihre hervorragenden Festigkeitswerte und Ermüdungseigen-

schaften machen Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen zu

einer echten Alternative zu vielen herkömmlichen Metallteilen.

Als Entwicklungswerkzeug dafür hat sich die Software DIGIMAT

etabliert. Mit DIGIMAT lassen sich detaillierte Materialmodelle

komponieren und mit Versuchsdaten kalibrieren. Darüber hinaus

können die Ergebnisse komfortabel mit der Spritzgusssimulation

und schließlich mit ANSYS gekoppelt werden.

Bild 1: Lastverhalten in Abhängigkeit von der Faserausrichtung Bild 2: Materialmodellierung

Kreuz & quer im Griff


DIGIMAT : Kombinierte Auslegung von Materialnichtlinearitäten

und der Faserorientierung bei Spritzgussbauteilen


sein muss. Die Erstellung eines Material-modells beginnt mit der Eingabe der me-chanischen Kennwerte der Komponenten,also des Matrixwerkstoffes und der darinenthaltenen Inklusionen, z.B. Fasern, mitden entsprechenden Materialgesetzen. Sokann sich z.B. die Matrix elasto-plastisch,die Fasern aber elastisch-transversal-isotrop verhalten. Die Mikrostruktur wirdschließlich beschrieben durch Angabenz.B. zur Topologie der Inklusionen, zuderen Ausrichtung, zu einer möglichenSchichtung oder zum Massenanteil.

Die effektiven Eigenschaften des Ge-samtmaterials werden dann durch Homo-genisierung der einzelnen Materialphasendes heterogen aufgebauten Verbundwerk-stoffs generiert (Bild 2). Der Vorteil derdabei genutzten analytischen Grundlösungist, dass die direkte Kopplung an ANSYSzur Simulation nichtlinearer Effekte amBauteil zu vertretbaren Rechenzeitenmöglich ist.

Die Modellannahmen des synthetischerzeugten Materialmodells – Ellipsoid alsGrundkörper, keine Faserwelligkeit, kon-stante Dichte – erfordern eine Abgleich mitdem realen Materialverhalten. Diese als„Reverse Engineering“ bezeichnete Kali-brierung basiert auf einfachen Experi-menten, meist Zugversuchen, Drucktestsund Biegeproben. Ausgewählte Material-

parameter des synthetischen Modellswerden so verändert, dass in der Simulationdie Versuchsergebnisse möglichst genau wi-dergegeben werden. Die zur Anpassungdes Materialgesetzes erforderlichen Mess-daten werden in eigenen oder externenPrüflaboren ermittelt. DIGIMAT stelltdafür mit dem Modul MX eine eigenePlattform zur Verfügung, die nicht nur eineDatenbank enthält, sondern auch die Pflegeeigener Daten ermöglicht und die Kom-munikation mit den in der Datenbank ver-tretenen namhaften Herstellern erleichtert.

Abschließend müssen noch die Orien-tierungen aus dem Spritzgussmodell aufdas Modell für die strukturmechanischeSimulation übertragen werden. Dieser„Mapping“ genannte Prozess ist not-wendig, weil die Modelle in der Regel unterschiedlich diskretisiert sind. DieÜbergabe dieser Technologie an ANSYSerfolgt nach dem Prinzip der Arbeits-teilung: In der Schnittstelle zu DIGIMATfragt ANSYS die Materialeigenschaftenauf Elementebene an, extern in DIGIMATwird dann das Verhalten unter Berück-sichtigung der Orientierungen berechnetund an ANSYS übertragen.

Der Homogenisierungsansatz ermög-licht auch die Auswertung der Ergebnissebis auf Phasenebene. Spannungen undDehnungen, aber auch Versagensindika-

toren können für die Matrix und die In-klusionen getrennt ausgegeben werden.Sehr detaillierte Analysen des Material-verhaltens, möglicher Lastpfade und Ver-sagensmuster sind durch Ausmodellierendes Materialaufbaus, d.h. der Form undVerteilung der Mikrostrukturbestandteile,mit Hilfe der FEM ausschnittsweisemöglich: Ein repräsentatives Volumen-element kann mit DIGIMAT aufgebautwerden, um es dann an ANSYS zu über-geben, wo es vernetzt, mit Randbedin-gungen und Lasten versehen undschließlich analysiert wird (Bild 3).

ZusammenfassungMit dieser Methodik schließt sich die Pro-zesskette zwischen Spritzguss und struk-turmechanischer Simulation. Überdies ermöglicht die Materialsynthese parame-trische Studien der Einflüsse bei Verände-rungen in den einzelnen Materialphasen,von der Matrix, über die Fasern bis hin zuzusätzlichen Partikeln. Die Methodik istnicht nur dem Werkstoffspezialisten zu-gänglich, sondern stellt in der eingängigenpraktischen Umsetzung vor allem auch fürden Konstrukteur ein wichtiges und un-verzichtbares Werkzeug für die Auslegungspritzgegossener Bauteile dar (Bild 4).

Der integrative Ansatz findet in derkunststoffverarbeitenden Industrie großesInteresse. Nicht nur große Materialher-steller, auch Automobilzulieferer, Haus-haltsgeräte- oder Elektronikherstellerrichten ihre Aufmerksamkeit zunehmendauf das Thema „integrative Simulation“.

InfoAutor | CADFEM

Martin Kracht, CADFEM GmbH


Martin Kracht, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0)511-39 06 03-13

[email protected]

InfoHinweis

DIGIMAT ist ein Produkt der Firma

e-xstream engineering

www.e-xstream.com

InfoSoftware

DIGIMAT; ANSYS Workbench

InfoWebinare

Übersicht über die integrative Simulation

von Kunststoffen mit DIGIMAT und ANSYS

Die Teilnehmer dieses Webinars erhalten einen

Einblick in die Möglichkeiten der Software

DIGIMAT insbesondere für die integrative

Simulation von Kunststoffbauteilen.

www.cadfem.de/webinare

InfoBilder

e-exstream; CADFEM

Bild 3: Repräsentatives Volumenelement Bild 4: Prinzip der integrativen Simulation mit DIGIMAT



alvanogeformte Nickelschalenals Abformwerkzeuge werdenunter anderem für das Pulver-rotationssinterverfahren von In-

strumententafelhäuten eingesetzt. Dabeiwird ausgenutzt, dass sich die feinen Mi-krostrukturen von Leder galvanisch perfektabformen lassen. Die Herstellungsschritteeiner solchen mikrostrukturierten Kunst-stoff-Oberflächenhaut sehen im Grobenfolgendermaßen aus: Die Galvanoformwird mit Öl, Luft oder Sand auf max. 270 ° C erwärmt, anschließend mit Weich-PVC beschichtet und schließlich mittels Wasserabgekühlt. Das Resultat ist die Slush-Haut,die anschließend von der Galvanoform ab-gezogen und auf das tragende Gerüst derInstrumententafel aufgespannt wird.

In den Werkzeugen kommt es währenddes Prozesses zu Temperaturschwankun-gen von ca. 200 ° C. Die Form wird dadurch– zusätzlich zu den prozessbedingten me-chanischen und korrosiven Beanspru-chungen – Wärmespannungen ausgesetzt.Folglich kommt es oft zu frühzeitigen Riß-

dungsoptimierte Galvanoformen“ ist dieErforschung neuer Materialien für Galva-nowerkzeuge mit erhöhter Lebensdaueroder mit angepasstem Wärmeausdeh-nungskoeffizient. Ein Schwerpunkt liegtdabei in der Schadensanalyse der Galva-noformen. Ziel der Simulation war es, einePrognose zu möglichen Schadensortentreffen zu können, wobei eine wesentlicheBelastung durch die inhomogene Tem -peraturverteilung in der Form entsteht.Daher war die Ermittlung des Tempera-turverlaufes in der Form ein wesentlicherBestandteil der Simulation. Ein weitererSimulationsschwerpunkt war die Model-lierung der Farbtrennnut.

Temperaturverteilung mit VPS/DRYWährend des Projektes wurde mit derSoftware VPS/DRY der Aufheizvorgangeiner Galvanoform durch Simulation er-mittelt. Für die Galvanoform wurdenWerkstoffkennwerte von Nickel vorge-

Gbildungen in der Form, die ein erheblicheswirtschaftliches Risiko für dieses wichtigeUrformverfahren für die Automobil-industrie darstellen.

Ziel des Forschungsprojekts Galvano-formen 21 „Nanomaterialien für anwen-

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Gefährliche Abkühlung

Die CADFEM GmbH war Partner in

dem durch die Bayerische Forschungs-

stiftung geförderten Projekt Galvano-

formen 21: Nanomaterialien für an-

wendungsoptimierte Galvanoformen

(Förderkennzeichen AZ-811-08).

Die weiteren Projektpartner sind

EADS Deutschland GmbH, Fichtner +

Schicht GmbH, Intier Automotive Eybl

Interiors GmbH, EUROCOPTER Group,

Friedrich-Alexander-Universität Erlan-

gen-Nürnberg mit dem Lehrstuhl für

Werkstoffwissenschaften und die

Universität des Saarlandes.

Info

Durch galvanische Abscheidung hergestellte Werkzeuge, so genannte Galvanoformen,

erlauben die direkte Erzeugung dreidimensionaler Formen, die zur Herstellung von komplexen

Bauteilen oder dicken Beschichtungen (Slush-Häute) dienen. Die über Galvanoformen

hergestellten Werkzeuge und Teile müssen äußerst anspruchsvolle Aufgaben erfüllen.

Schadensanalyse einer Galvanoform


geben und die Dickenverteilung vereinfa-chend mit zwei unterschiedlichen Wertendefiniert. Die Aufheizsimulation erfolgt miteiner Starttemperatur von 20 °C und einerUmgebungstemperatur von 200 °C. EinErgebnis des Temperaturverlaufs über dieZeit ist in Bild 1 dargestellt. Dabei lässtsich erkennen, dass die Temperaturen zumausgewählten Zeitpunkt an den freienRändern am größten sind und dort, wo dieBauteilflächen von der eigenen Geometrieabgeschirmt werden, die Temperaturennoch deutlich niedriger sind.

Der ermittelte Temperaturverlauf dientefür die anschließende mechanische Analyseals Temperaturlast, wobei lokale Span-

nungsspitzen im Bereich der Nut entstehen.Im Anschluss an die Simulation des Auf-heizvorgangs wurden zur Verifikation undzur genaueren Prozessbeschreibung an ver-schiedenen Orten der Galvanoschale dieDehnungen unter Produktionsbedingungenwährend des Slushvorgangs gemessen. DieErgebnisse der Messung und weitere Prin-zipstudien mit der Simulation ließen da-rauf schließen, dass beim Abkühlvorganggrößere Belastungen auftreten als währenddes Aufheizens der Form.

Simulation desAbkühlvorgangsZur Verifikation und zur Definition derRandbedingungen wurde auf Temperatur-messungen zurückgegriffen. Dazu wurdeeine Galvanoform mit mehreren Mess-fühlern bestückt, um die Temperaturkurvenbei einem Slushvorgang unter Produkti-onsbedingungen zu ermitteln. Von großemInteresse waren die Temperaturgradientenbeim Abkühlvorgang. Anhand eines Videosüber den Eintauchvorgang der Galva-noform konnte der räumliche Verlauf derEintauchkurve ermittelt werden. Mit Hilfe

der Messkurven wurden die zeitlichen Ab-stände bestimmt, wann welcher Messpunktabkühlt, dass heißt ins Becken eintaucht,um den zeitlichen Verlauf der Eintauch-kurve zu kalibrieren. Zur Vereinfachung derEingabe der Eintauchkurve in ANSYSWorkbench diente ein Script, mit dem dieKurve über eine Eingabemaske erfasstwurde. Alle weiteren Simulationseinstel-lungen werden dann automatisch vor-genommen. Zur Kontrolle wurden dieTemperaturverläufe an den Stellen derMesspunkte ausgegeben. Bei dem Simula-tionsmodell handelt es sich um ein Flä-chenmodel mit einer gleichmä ßig ange-nommen Wandstärke von 3 mm. Nebenden Bereichen der Nutausläufe wurdenweitere kritische Stellen gefunden, an denenes auch in der Realität zu Rissen kommt.

Durch den individuellen Fertigungs-prozess solch einer Galvanoform unter-liegt die Dickenverteilung Schwankungen.In den Nutbereichen variiert die Dicken-verteilung besonders stark. Die besondereHerausforderung lag hier in der Kopplungeiner Freiformfläche mit einem Solid-Modell in Bereichen stark gekrümmterFlächen. Desweiteren wurden Unter -

suchungen angestellt, die großflächige Dicken verteilung mit Methoden aus derVPS/DRY-Simulation näherungsweisevorherzusagen und auf das Schalenmodellzu übertragen.

Insgesamt wurde das Projekt vonCADFEM im Bereich der Prozesssimu-lation und Lebensdauerprognose begleitet(Bild 2). Dabei konnte gezeigt werden,dass insbesondere der rasche Abkühl-vorgang zu erheblichen Lastspitzen vorallem in den Nutbereichen führt, in denenauch später das Versagen der Bauteile zuverzeichnen ist. Durch die Arbeit im Pro-jekt Galvanoformen 21 konnte CADFEMmehrere Herangehensweisen an diese Auf-gabenstellung erarbeiten, die nun auch aufandere Anwendungsbereiche übertragenwerden können.

InfoAutor | CADFEM

Dirk Haverkamp, CADFEM GmbH

InfoKontakt | CADFEM

Dr.-Ing. Cord Steinbeck-Behrens, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0) 511-390603-17

[email protected]

InfoSoftware

ANSYS Multiphysics, VPS/DRY

Bild 1: Ermittlung der Temperaturverteilung mit VPS/DRY.

Bild 2: Der Prozess zur Simulation der Galvanoform von derTemperaturkurvenmessung bis zu Berechnung der Spannungsverteilung.

Temperaturkurvenmessung

Eingabemaske Automatisierte Workbencheinstellungen

Temperaturkurven Simulation

Spannungsverteilung

30

Entwurf einer Handlungsstrategie gegen die globale Erderwärmung

ine Handlungsstrategie, die sich der glo-balen Herausforderung unserer Zeit an-nimmt und das ehrgeizige Ziel verfolgt, dieglobale Klimaerwärmung zu begrenzen, hat

einiges zu leisten. Im Rahmen des interdiszipli-nären Lehrprojekts „Leonardo“ an der RWTHAachen hat sich Demian Taschenmacher, Studentdes Bauingenieurwesens, mit diesem Problem be-fasst. In seiner Studienarbeit „Warum hören wirnicht auf uns selbst – Entwurf einer Handlungs-strategie gegen die globale Erderwärmung“ zeigter, dass dabei drei entscheidende Probleme gelöstwerden müssen.

Eine Handlungsstrategie muss Wege finden, ...uns für die Konsequenzen unseres Handelns zusensibilisieren, die wir selber nicht mehr erlebenwerden, ...dass wir auch in vermeintlich kleinen und un-bedeutsamen Handlungen den positiven Effekt fürdas große Ganze erkennen und...die unabhängig von Region, Wohlstand und Le-bensweise jedem dieselben Rechte und Pflichtenzubilligen und abverlangen.

Nur wenn es gelingt, dafür zu sorgen, dass alle ausfreien Stücken das Gleiche wollen, kann es ge-lingen, einen weltumspannenden Prozess zu ini-tialisieren, der das vielleicht Unmögliche schafft:Den Teufelskreis der globalen Erwärmung zudurchbrechen und die klimatischen Veränderungenauf ein Maß zu begrenzen, so dass zukünftige Ge-nerationen hier eine annehmbare Lebensgrund-lage finden.

CADFEM hat diese Studienarbeit von Herrn Ta-schenmacher aus dem Leonardo-Modul „Klima-wandel, Stadt und Gesellschaft“ auf dem Users’Meeting 2011 in Stuttgart mit dem CADFEMSonderpreis für Studierende ausgezeichnet.

Die vollständige Arbeit kann auf der CADFEMHomepage heruntergeladen werden:www.cadfem.de/infoplanerProjekt-Homepage: www.leonardo.rwth-aachen.de

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Warum hören wir nicht auf uns selbst?

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A N S Y S B E I C A D F E M

it CADFEM verbindet ANSYSeine jahrzehntelange Partner-schaft. Gemeinsam sind beideUnternehmen gewachsen. Wäh-

rend ANSYS sich zum weltweit größtenunabhängigen Hersteller von Software fürdie numerische Simulation entwickelt hat,ist CADFEM heute in Zentraleuropa dasKompetenzzentrum für die FEM-Simu-lation im Allgemeinen und für ANSYS imBesonderen.

WorkbenchANSYS Workbench ist die zentrale Simu-lationsumgebung von ANSYS, die die ver-schiedenen Werkzeuge von ANSYS, aberauch Fremdprodukte, unter einer ein -heitlichen Arbeitsumgebung integriert.ANSYS Workbench unterstützt den Anwender, seine Arbeitsprozesse auf derBasis eines einheitlichen Produktdaten-modells reproduzierbar abzubilden.

WorkflowVon der CAD-Anbindung über die Mo-dellerstellung, physikalische Berechnung,Auswertung, Parametermanagement, Op-

timierung und intelligentes Datenmana-gement werden sämtliche Schritte im Si-mulationsprozess mit ANSYS Workbenchdefiniert und grafisch anschaulich ver-knüpft.

Die Datenverwaltung und das Schnitt-stellenmanagement zwischen den Pro-grammen erfolgen automatisiert im Hin-tergrund und geben dem Anwenderdadurch mehr Zeit für seine eigentlichenAufgaben. Einmal definierte Simulations-prozesse beliebiger Komplexität könnenjederzeit wiederholt und mit minimalemAufwand variiert werden.

Workspace

ANSYS deckt mit weltweit führender Si-mulationstechnologie ein breites Spektrumder Bereiche Strömungsmechanik, Struk-turmechanik, Akustik, Elektromagnetiksowie Systeme & Multiphysik ab. Eine be-darfsorientierte Skalierbarkeit der Lizen-sierung, die Integrationsfähigkeit eines offenen Systems in vorhandene Infrastruk-turen und komplementäre Technologien wieSimulationsdatenmanagement und HighPerformance Computing runden das Leis-tungsspektrum von ANSYS ab.

ANSYS ist die führende Software für die numerische Simulation im Produktentwicklungs-

prozess weltweit. Die Kombination der Werkzeuge der ANSYS Programmfamilie mit dem

Rundum-Service von CADFEM schafft beste Voraussetzungen, dass aus guten Ideen

schneller erfolgreiche Innovationen werden.

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ANSYS Software, die passende Ausbildung, die Unterstützung der täglichen Simulationsarbeit durch Support und Projektbegleitung mit Know-how Transfer –aber auch komplementäre Programme bis hin zur individuellen Anpassung vonStandardsoftware sowie Hardwarelösungen inklusive IT-Management – das ist das Komplettangebot von CADFEM.

Wir sind für Sie da!

CADFEM – Ihr Partner für ANSYS

Deutschland

CADFEM GmbHDr.-Ing. Volker Bäumer

Tel. +49 (0)8092-7005-51

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Schweiz

CADFEM (Suisse) AGMarkus Dutly

Tel. +41 (0)52-3 68 01-02

[email protected]

Österreich

CADFEM (Austria) GmbHAlexander Dopf

Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-14

[email protected]

Innovationstreiber


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Neue Zusatzlösungen für ANSYS

FTI Forming Module for ANSYS ist einevon CADFEM entwickelte Integration vonFunktionen der FTI FormingSuite inANSYS Workbench. Damit ist die Um-formsimulation von FTI unmittelbar in

ANSYS realisierbar. Über einen automa-tisierten Mapping-Prozess werden Dicken-verteilungen und Verfestigungswerte alswichtige Eingangsparameter für eine Fes-tigkeitsberechnung der Bauteile in ANSYSzur Verfügung gestellt. Bisher waren diese,wenn überhaupt, so frühzeitig nur mitgroßem manuellen Aufwand verfügbar.

Ansprechpartner

Tobias Menke, CADFEM GmbHTel. +49 (0)511-39 06 [email protected]

� Bitte beachten Sie auch den Artikel auf Seite 20 in diesem Heft.

CADFEM C.A.V.E. (Collaboration And Visualization Engine) wurde von CADFEMauf Basis der führenden VCollab-Daten-Kompressions technologie für die Nutzungin ANSYS Workbench entwickelt.

Mit C.A.V.E. können riesige ANSYSErgebnisdateien bequem auf 1 % und weniger ihrer Originalgröße verkleinertwerden, ohne dass die Genauigkeit da-runter leidet. Dies ermöglicht nicht nureinen schnellen und komfortablen Daten-austausch, sondern unterstützt auch eineplatzsparende Archivierung und die pro-fessionelle 3D-Ergebnispräsentation.

Ansprechpartner

Stefan Gotthold, CADFEM GmbHTel. +49 (0)30-475 96 [email protected]

www.cadfem.de/cave

AutoFENA 3D, das praxiserprobte und ve-rifizierte Programm des CADFEM Part-ners Ingenieurbüro Huß & Feickert (ihf)für den automatisierten FKM-Nachweis,ist jetzt als CADFEM ihf Toolbox-LösungWB/FKM vollständig in ANSYS Work-bench integriert. Die FKM-Richtlinie„Rechnerischer Festigkeitsnachweis fürMaschinenbauteile“, 5. erweiterte Ausgabe2003, ist eine anerkannte Richtlinie, welcheden aktuellen Stand der Technik wiedergibt.Die Richtlinie enthält den statischen Fes-tigkeits- und den Ermüdungsfestigkeits-nachweis. Innerhalb von ANSYS Work-

bench kann nun der Nachweis mit „ört-lichen“ Spannungen sehr komfortabel vor-genommen werden. Neben der Bewertungeinzelner Flächen und ganzer Bauteilekönnen u. a. auch Mehrfachbewertungenvorgenommen werden, ohne dass die Si-mulation neu aufgesetzt werden muss.

Ansprechpartner

Stefan Gotthold, CADFEM GmbHTel. +49 (0)30-475 96 [email protected]

� CADFEM ihf Toolbox vgl. Seite 36

Mit optiSLang inside ANSYS Workbenchkommt die Robust Design Optimierung(RDO) in stark automatisierter Form in

ANSYS. Was steckt dahinter? Mit RDOkönnen Produktentwickler den Spielraumpotenzieller Streuungen von Material-kennwerten und Umweltbedingungen inder Fertigung so gestalten, dass Toleranzennicht zum Versagen einzelner Produkteführen. Genutzt wird dabei die führendeRDO-Technologie des CADFEM Part-ners Dynardo.

Ansprechpartner

Marc Vidal, CADFEM GmbHTel. +49 (0)[email protected]

Blechbauteile Umformwerte inklusive

DatenkomprimierungSo klein kann groß sein!

Herstellungstoleranzen beherrschen Der einkalkulierte Zufall

FKM-Richtlinie Automatisierte Festigkeitsnachweise




Konstruktionsbegleitende,

CAD-nahe Berechnung

ANSYS bietet speziell auf die Anforde-rungen von Anwendern aus der CAD-Konstruktion zugeschnittene Simulations-werkzeuge. Die wesentlichen Unterschiedezu den Tools, die von CAD-Anbieternselbst offeriert werden, sind die ingenieur-gerechte Definition, z. B. von Randbedin-gungen, Kontakten und Schraubver-bindungen. Darüber hinaus bieten die kon-struktionsnahen ANSYS Lösungen demKunden Investitionssicherheit, denn derÜbergang zum erweiterten ANSYS Simu-lationsspektrum ist nahtlos. Ein weiteresArgument vieler Anwender ist zudem dergesicherte und professionelle Supportdurch CADFEM.

● ANSYS DesignSpace● ANSYS Professional NLS

Strukturmechanik

linear/nichtlinear, statisch/dynamisch,

implizit/explizit

ANSYS deckt die ganze Bandbreite deranspruchsvollen strukturmechanischenFEM-Simulation ab, um so zum Beispieldie Möglichkeiten neuer Werkstoffe aus-zureizen oder Bauteileigenschaften, auchbei dynamischer oder nichtlinearer Be-lastung im Detail zu analysieren. Darüberhinaus können Effekte aus der Akustik, derThermodynamik sowie thermisch-elek-trische Wechselwirkungen in die Simu-lation einbezogen werden.

● ANSYS Structural● ANSYS Mechanical● ANSYS Explicit STR● ANSYS LS-DYNA● ANSYS Rigid Dynamics (Mehrkörpersimulation)

Die ANSYS Programmfamilie

ANSYS Strömungsmechanik

Strömung

ANSYS CFD ist nahtlos in ANSYS Work-bench integriert, bietet jedoch nach wievor auch die wichtigsten Werkzeuge(ANSYS CFX, ANSYS Fluent, etc.) alsEinzellösungen. ANSYS CFD bietet ei-nen enormen Funktionsumfang für an-spruchsvolle Strömungssimulationen.

● ANSYS CFD

Strömungsmechanik

Dr.-Ing. Volker Bäumer, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0)8092-7005-51

[email protected]

Info

Strukturmechanik

Christof Gebhardt, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0)8092-7005-65

[email protected]

ANSYS Anwendersupport

bei CADFEM

Tel. +49 (0)8092-7005-55

[email protected]

Elektromagnetik, Systeme & Multiphysik


Tel. +49 (0)8092-7005-17

[email protected]


Systemsimulation

Die numerische Beschreibung komplexerZusammenhänge umfasst neben der ge-nauen Betrachtung einzelner Kompo-nenten auch die Einbindung von Regel-und Steueralgorithmen. So werden va-riable Lastszenarien (Kennfelder) und in-terdisziplinäre Wechselwirkungen genauabgebildet. Neben der zunehmenden geo-metrischen Detailtiefe (CAD Anbindung)der Simulation bietet gerade die System-betrachtung die Möglichkeit, die Genauig-keit der numerischen Modelle weiter zuerhöhen.

Die Integration von Simplorer inANSYS Workbench erweitert die An-wendung in der Leistungselektronik undder Regelung elektrischer Antriebe um zusätzliche interdisziplinäre Kopplungen der Struktur-Magnetik-Fluidik-Thermo -dynamik. Damit ergeben sich unter an-derem Anwendungen geregelter mecha-tronischer Systeme (z. B. Hybridantrieb).Die von CADFEM implementierte Me-thode der Ordnungsreduktion „MOR forANSYS“ lieferte präzise und skalierbareFEM-basierte Modelle für die echtzeitnaheSystembetrachtung.

● ANSYS Maxwell● ANSYS Simplorer● ANSYS Mechanical + MOR for

ANSYS + ANSYS Simplorer

Multiphysik

Der Name ANSYS steht seit Jahren fürtechnologisch führende Werkzeuge für dieBerechnung des Verhaltens von Bauteilenund Produkten, wenn Wechselwirkungenunterschiedlicher technischer Disziplinenberücksichtigt werden müssen. Mit diesemeinen Programm und unter einer einheit-lichen Oberfläche können statische, dyna-mische, thermische, strömungsmecha-nische, akustische und elektromagnetischeEffekte miteinander kombiniert werden.

● ANSYS Multiphysics● ANSYS Mechanical + ANSYS CFD

Thermisches Management

ANSYS verfügt über effiziente Speziallö-sungen für die Kühlungssimulation vonLeiterplatten, elektronischen Kompo-nenten und Geräten. Die Detailanalysevon Bauteilen im Chipgehäuse basierendauf ECAD-Daten, ermöglicht eine op-timale thermische Konstruktion und dieAbleitung von Kompaktmodellen.

● ANSYS Icepak

ANSYS Elektromagnetik

Elektromagnetik

Im Bereich elektromagnetischer Feldana-lysen bietet ANSYS umfassende Lösungenzur detaillierten Beschreibung von resul-tierenden Kräften, Momenten, Impe-danzen und Verlusten. Die Werkzeuge sindbesonders etabliert für Anwendungen im Bereich der elektrischen Antriebstechnik,der Energie- und Signalübertragung (z. B.Transformatoren, Sensoren) und der Pro-zesssimulation produktionstechnischer Anlagen und Verfahren (z. B. induktivesHärten). In Kombination mit ANSYS Me-chanical, dem Systemsimulator Simplorerund den Expertenlösungen (RMxprt,PExpert und Q3D) stehen etablierte Produkte bereit, die eine umfassende Modellierung z. B. kompletter Antriebs-systeme (Entwärmung, Schwingungs-übertragung, Akustik) ermöglichen.

● ANSYS Maxwell● ANSYS Mechanical

+ ANSYS Maxwell● ANSYS Mechanical/Emag● ANSYS Simplorer● ANSYS Q3D Extractor● ANSYS RMxprt● ANSYS PExprt

im Überblick

ANSYS Systeme und Multiphysik

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ine Toolbox für die Workbench – diegibt es nur bei CADFEM. Gemein -sam mit dem Partner Ingenieur büro

Huß & Feickert (ihf) hat CADFEM dieCADFEM ihf Toolbox konzipiert, die aktuell aus mehreren hilfreichen Werk-zeugen für viele ANSYS Anwender be-steht. Dabei handelt es sich zum Teil um imKundenauftrag entwickelte Zusatzlö-sungen für ANSYS Workbench, die – mitdem Einverständnis des jeweiligen Kunden– so einem größeren Anwenderkreis zu-gänglich gemacht werden. Die CADFEMihf Toolbox wird Schritt für Schritt umneue Werkzeuge erweitert und kann alsGesamtpaket bezogen werden.

Die Funktionalitäten der CADFEM ihfToolbox werden dem Kunden als Source-Code Musterlösungen geliefert, so dass derAnwender sie flexibel und frei auf die ei-genen Bedürfnisse hin zuschneiden kann.Um dem Anwender den Zugang zur enthaltenen Technologie so einfach wiemöglich zu machen, werden entsprechendeEinführungsseminare angeboten. Eine da-rüber hinausgehende Beratung zur An-wendung oder Weiterentwicklung kann inForm von Consulting-Projekten erfolgen.

Die CADFEM ihf Toolbox

Tolle Helfer

InfoAnsprechparnter

CADFEM ihf Toolbox & ANSYS Workbench CustomizationStefan Gotthold, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0)30-475 96 66-24

[email protected]

InfoSeminare

Erweiterung der ANSYS Workbench Funktionalität mittels Scripting in APDLwww.cadfem.de/apdl

Entwicklung von Applikationen mittels ACT, Python, JScript und SDKwww.cadfem.de/act

E Info

• Abbildung von Schweißvorgängen unter Berücksichtigung der Gefügeumwandlung

• CADFEM Material Curve Fitting (NLISO/Chaboche)

• CADFEM IDAC Materialdatenbank

• Körperschallbewertung schwingender Strukturen (SBSound)

• Modellordnungsreduktion zur Einbindung von 3D-FEM-Modellen in die System-simulation (MOR4ANSYS)

• Workbench Macro Bibliothek- Selektierung in Workbench - Schriftgrößenänderung in Mechanical Simulation- Automatisches Speichern aller Bilder

• Workbench-Assistent zur flexiblen MKS-Simulation mittels CMS

• Workbench integrierter richtlinienkonformer Festigkeitsnachweis nach FKM(WB/FKM)

• Workbench-Prozess zur Rückführung von verformten FE-Modellen in Parasolid

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Viele CADFEM Kunden haben in den vergangenen Jahren einen besonderen

Service in Anspruch genommen: Die ANSYS Customization durch CADFEM. Dahinter verbirgt

sich die Anpassung von ANSYS an besondere unternehmens- oder branchenspezifische Anforderungen.

Dieser CADFEM Service reicht von der Integration vorhandener Lösungen über die Programmierung eines

individuellen Workflows bis hin zur Entwicklung von Zusatzapplikationen. Daraus ist die CADFEM ihf Toolbox

entstanden, in der einige Lösungen „made by CADFEM“ zusammengefasst sind – und die weiter wachsen wird.

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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/Robustheit: optiSLang bzw. optiSLang inside Workbench ist eine Soft-ware für die parametrische Sensitivitäts analyse, 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. Zu den großen Vorteilen, die DIGIMAT dem Entwickler von Spritzgussbauteilen bietet, gehört die Möglichkeit, bei der Auslegung Materialnichtlinearitäten und Faserorientierungen zu kombinieren.

www.cadfem.de/materialdesign


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

Differentialgleichungen: Diffpack, ein Produkt der inuTech GmbH, ist eine objektorien-tierte Klassenbibliothek für die Lösung von u. a. stochastischen Differentialgleichungen, die Imple-mentierung von gekoppelten Systemen. Integriert in ANSYS erhält der Anwender eine Vielzahlzusätzlicher Berechnungsmöglichkeiten.

www.diffpack.com

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 Material-kosten. FTI FormingSuite Produkte sind standalone und CAD-integriert (u.a. CATIA) verfügbar. Innerhalb der FTI FormingSuite wird im Produkt FAST Incremental der LS-DYNA Solver genutzt.Mit FTI Forming Module for ANSYS ist die FTI Umformtechnologie nun auch in ANSYS Workbenchverfügbar, so dass die relevanten Werte aus dem Umformprozess direkt in der Festigkeitsberech-nung verwendet werden können.

www.cadfem.de/fti


Komplementäre CAE-Software zu ANSYSStandalone oder in ANSYS integriert




ls ein besonderer Vorteil derGIS-Technologie wird von ABBdie platzsparende Gestaltungder Anlagen hervorgehoben, so

dass sie für Einsatzbereiche in dicht be-völkerten Gebieten prädestiniert sind. Seitden Anfängen in der GIS-Technologie inden 1960er-Jahren hat ABB weltweit über15.000 GIS-Schaltfelder erfolgreich in-stalliert. Das neueste GIS-Produkt derABB im Werk Hanau-Großauheim ist dieSchaltanlage ENK3 für Bemessungsspan-nungen bis zu 72 kV. Die innovative ovaleGestaltung des Gehäuses mit Steckver-bindungen und horizontal angeordnetenLeistungsschaltern ermöglicht eine volu-

„Nach der 3D-Modellierung der Gussge-häuse im CAD-System wird die Geo-metrie direkt an die ANSYS Softwareübergeben, um sie dort automatisiert zuvernetzen und zu berechnen“, erläutert derIngenieur Markus Amberg, der bei ABB inHanau-Großauheim für die konstrukti-onsbegleitende Simulation zuständig ist.„Dabei wollen wir keine absolute Exaktheiterreichen, sondern nur einen groben Ein-blick bekommen, ob wir auf dem richtigenKonstruktionsweg sind.“ Aufgrund dervon ANSYS gelieferten Berechnungser-gebnisse werden die Geometrien dann imCAD-System modifiziert, erneut an dieSimulationsanwendung übertragen und

Amenoptimierte Anordnung der einzelnenFelder und ein einfaches Kuppeln von Ge-häusen. Zusätzlich garantiert die standar-disierte Gestaltung der Gehäuse aus Alu-miniumguss ein Minimum an Material-und Energieaufwand vom Rohmaterial biszur finalen Installation.

Konstruktionsbegleitende SimulationDie strukturmechanische Auslegung undOptimierung der Aluminiumgussgehäuseerfolgte konstruktionsbegleitend mit denSimulationslösungen ANSYS Workbenchbeziehungsweise ANSYS DesignSpace.

Konstruktionsbegleitende Simulation mit ANSYS bei ABB

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Als ein führender Technologiekonzern im Bereich der Energie-

technik verfügt ABB unter anderem über ein umfangreiches Port-

folio an Hochspannungsprodukten, die den Spannungsbereich zwi-

schen 50 und 800 kV abdecken. Um trotz der hohen Spannungen

möglichst kompakte und zuverlässige Schaltanlagen liefern zu können,

setzt ABB schon seit rund 50 Jahren auf die GIS-Technologie (gasisolierte

Schaltanlagen), die von ihr kontinuierlich weiterentwickelt wurde. Für die

Realisierung dieser Entwicklungen nutzt ABB die FEM-Software ANSYS auch

im Bereich der konstruktionsbegleitenden Simulation.

Hochspannendbis ins Detail


wieder berechnet, bis ein optimales Er-gebnis erzielt wird. „Durch dieses Konzeptder konstruktionsbegleitenden Berechnunghaben wir die Entwicklungszeiten in denletzten zehn Jahren spürbar reduzierenkönnen“, berichtet Markus Amberg.

Die ersten Erfahrungen mit der ANSYSSoftware sammelten die ABB-Ingenieurein Hanau-Großauheim zur Jahrtausend-wende mit der so genannten Classic-Version. Diese war für die Entwickler derHochspannungsschaltanlagen, die damitkonstruktionsbegleitend und folglich nichttagtäglich arbeiteten, aber zu mächtig.Deshalb wurde für die konstruktionsbe-gleitende Berechnung zusätzlich ANSYSDesignSpace eingeführt und wenig späterauch ANSYS Workbench, die einfach zuerlernen und benutzen sind. Dazu erklärtMarkus Amberg: „Im Laufe der Zeithaben wir die Produktentstehungsprozesseso verändert, dass jeder Entwickler bezie-hungsweise Produktbetreuer die Simula-tions-Software von ANSYS bedienen und

seinen spezifischen Aufgaben entspre-chend einen möglichst großen Nutzendaraus ziehen konnte.“ Die betreffendenABB-Mitarbeiter besuchten die für sie je-weils sinnvollen Grundschulungen beimANSYS Partner CADFEM, um das not-wendige Anwendungs-Know-how zu er-langen, das anschließend Schritt für Schrittgemäß den jeweiligen Anforderungendurch weitere Schulungen ergänzt wurde.

Komplexität wirdbeherrschbarKonkret zum ENK-Projekt berichtetMarkus Amberg von der Vorgabe, dass dieBreite der neuen Schaltanlage ein be-stimmtes Maß nicht überschreiten sollte.Da aber die drei Schaltkammern im

Bild 1: Gussgehäuse der Hochspannungsschaltanlage ENK3.

Bild 2: Durch die Simulation konnten Spannungsspitzen im Deckel (links: außen, rechts: innen) vermieden werden.

Bild 3: Simulation für das Leistungsschaltergehäuse.


Durchmesser zu groß waren, um sie ne-beneinander zu platzieren, musste eineSchaltkammer etwas angehoben werden.Das Ergebnis war letztendlich ein relativkompliziertes Gussgehäuse mit vielen un-terschiedlichen Wölbungen, Durchbrü-chen und Radien. „Ohne ANSYS hättenwir uns sehr schwer getan, zu einer ver-nünftigen Lösung zu kommen“, resümiertder ABB-Ingenieur. „Wir hatten oftmalskeinen Anhaltspunkt, welche Modifika-tionen zu welchen strukturmechanischenVeränderungen führen würde. Durch diekonstruktionsbegleitenden Simulationenwurde die Komplexität jedoch besser beherrschbar.“ Rückblickend betrachtetkonnten die unterschiedlichen Zielvor-gaben bezüglich Materialeinsatz, Ge-wicht, Bauraum und Kosten mit Hilfe derANSYS Software unter einen Hut ge-bracht werden.

Nachdem für den Leistungsschalter-Tank in der Simulation die gewünschtenstrukturmechanischen Spannungswerteerreicht wurden, folgte als nächster Schritteine Gewichtsoptimierung. Damit solltensowohl der Einsatz wertvoller Rohstoffe,als auch die Kosten minimiert werden.Mit einigen Iterationen ließen sich zumBeispiel die Wanddicken zwischen den dreiSchaltkammern in einigen Bereichen nochminimieren. Nach Geometrieänderun-gen erfolgte jeweils die Berechnung mitANSYS, um zu analysieren, ob die Wand-dicken den zu erwartenden Belastungennoch standhielten. Dazu erläutert MarkusAmberg: „Auf diese Weise haben wir dieGeometrie immer weiter abgespeckt unduns den Grenzen der strukturmechani-schen Belastungen schrittweise angenä-hert.“ Zusätzlich war zu beachten, dass dieGussteile mit möglichst gleichen Wand-stärken definiert wurden, damit beim Ab-kühlen keine unnötigen Spannungen undBelastungen auftreten. Letztendlich konntenach rund zweiwöchiger Optimierungs-arbeit das Gewicht der drei Schaltkam-mern um mehr als 20 % unter den vorge-gebenen Grenzwert gedrückt werden.

Hohe Übereinstimmung mit VersuchsergebnissenDurch die gesamte Neugestaltung derENK-Anlage wird nur noch relativ wenigSchwefelhexafluorid SF6 – bis zu 50 % we-niger als bei vergleichbaren Produkten –benötigt. Das Isoliergas dient zur Isolationaller hochspannungsbeaufschlagten Teileund zum sicheren Löschen des Licht-bogens beim Abschalten von Kurzschluss-strömen. Die entsprechenden Deckel

rechnungen eine beruhigende Sicherheit,dass ich mich auf die ANSYS Ergebnisseverlassen kann. Denn in der Realität be-stätigen sich die Berechnungen mit hoherPräzision.“



Christof Gebhardt, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0)8092-7005-65

[email protected]


ANSYS Professional NLS, ANSYS DesignSpace

InfoSeminar

Einführung in die konstruktionsbegleitende

Berechnung mit ANSYS Workbench

www.cadfem.de/seminare

Alle ANSYS Nutzer von ABB in Hanau-Großauheim haben zunächst bei CADFEM eine

mehrtägige Basisschulung für DesignSpace erhalten. Dort lernten sie die Grundlagen

der Simulations-Software kennen und konnten anschließend die ersten einfachen

Berechnungen durchführen. Für rund die Hälfte der 15 ANSYS Anwender, die tiefer in

die Materie einstiegen, folgten danach entsprechende strukturmechanische Aufbau-

schulungen. Zwei ABB-Mitarbeiter, die fast ausschließlich mit ANSYS arbeiten, nehmen

auch regelmäßig an Online-Schulungen – so genannten Webinaren – von CADFEM

teil, damit sie immer auf dem aktuellsten Stand bleiben. So haben sie sich kürzlich

beispielsweise über ANSYS HPC informiert, um die Berechnungen noch effizienter

und schneller durchführen zu können. Für diese Anwendungen erhielten die ABB-

Ingenieure auch zeitlich begrenzte Freilizenzen, damit sie individuelle Tests durch-

führen konnten.

Ein besonderes Kompliment macht Markus Amberg dem Support-Team von CADFEM:

„Vom Support bei CADFEM sind wir begeistert, denn er gewährleistet uns eine

wirklich umfassende und schnelle Unterstützung. Auch bei Problemen, die technisch

sehr in die Tiefe gehen, ist es in vielen Fällen so, dass ich bei einem Anruf der Hotline

direkt oder in kürzester Zeit, das heißt in 15 bis 20 Minuten, eine Antwort erhalte, die

mir weiterhilft. Und diese Erfahrung habe nicht nur ich persönlich gemacht, sondern

auf Rückfrage bestätigen auch meine Kollegen, dass der Support von CADFEM sehr

vorbildlich ist. An dem können sich viele andere Firmen ein Beispiel nehmen.“

Wenn der angerufene Support-Mitarbeiter von CADFEM nicht sofort weiterhelfen

kann, so landet die Anfrage bei dem entsprechenden Kollegen, der sich bei CADFEM

auf das jeweilige Anwendungsgebiet spezialisiert hat. Mit ihm gemeinsam wird dann

zeitnah ein Weg gefunden, die bestehenden Fragen zu beantworten beziehungs-

weise die aufgetretenen Probleme zu lösen. „Das wichtige Kriterium für uns ist, dass

wir an einer Aufgabe möglichst flüssig weiterarbeiten können und sie nicht länger-

fristig unterbrechen müssen, weil wir vielleicht tagelang auf eine Antwort warten“, for-

muliert Markus Amberg.

Rundumbetreuung durch CADFEM

werden mit Schraubverbindungen ange-flanscht, wobei die Verbindungen gasdichtsein müssen. Als Sicherheitseinrichtungwird dabei eine so genannte Berstscheibeverwendet, so dass bei einem Überdruckdas Gehäuse nicht platzt. Bei der Berst-prüfung wird mit einem Druck von 30 bargearbeitet, dem fünffachen Konstrukti-onsdruck. Zum Vergleich von Berst-prüfung und ANSYS Berechnung er-läutert Markus Amberg abschließend: „Inder Berechnung konnte ich gut erkennen,welche Bereiche kritisch sind. Wenn ichdann nach der Berstprüfung feststelle, dassgenau in diesen Bereichen die Rissbildungerfolgte, gibt mir das für die weiteren Be-

„Vom Support von CADFEM bin ich

begeistert, denn er gewährleistet

uns eine wirklich schnelle und

umfassende Unterstützung.“Markus Amberg,

Ingenieur bei


ielsetzung des Pilotseminarswar es, Mechanikkonstrukteureund Regelungstechniker einan-der näher zu bringen. Denn die

tägliche Praxis zeigt, dass immer mehr me-chatronische Projekte erforderlich sind,um mit neuen, leistungsfähigen Produk-ten im globalen Wettbewerb bestehen zukönnen.

Dabei dient die frühzeitig eingesetzteSimulation als Brücke, um die bisher nochzu sehr von einander abgeschotteten Entwicklungsbereiche mit Hilfe der Sys-temsimulation zusammenzuführen. Zielist es, aufeinander abgestimmte Kompo-nenten zu entwickeln, die nicht nur in einzelnen physikalischen Disziplinen (wieMechanik, Elektrik/Elektronik, Magne-tik, Thermik oder Hydraulik) optimiertwurden, sondern deren Interaktion alsGesamtsystem rechnerisch verifiziertwurde.

StrukturmechanischeAufgaben mit Hilfe der Regelungstechnik lösenDurchgeführt wurde das Seminar von zweierfahrenen Dozenten, Prof. Dr.-Ing. ClausBrüdigam von der Hochschule für Ange-wandte Wissenschaften Regensburg, Fa-kultät für Elektro- und Informations-technik, sowie Dr.-Ing. Ulrich Bock, derbei CADFEM GmbH den SchwerpunktFEM-Simulation in der Elektrotechnik be-treut. Zunächst wurden den Teilnehmerndie Grundlagen der Regelungstechnik mitHilfe von praktischen Beispielen kompaktvermittelt. Darauf aufbauend erfolgte eineEinführung in die Abbildung geregelterSysteme, wobei die Modellreduktion aufBasis von 3D-Feldsimulationen erklärtwurde.

Insgesamt verdeutlichte das Seminardas Zusammenwirken von Komponenten

in einem komplexen System. Dazu wurdenelektrische, magnetische, mechanische, hy-draulische und thermische Komponenteninklusive der Regelung simulationstech-nisch zusammengeführt und in ihrem Ver-halten aufeinander abgestimmt. Anhandeiner durchgängigen Arbeitsweise – vonder 3D-FEM-Simulation über die Ein-bettung in ein Systemsimulations-Modellbis zur Ergebnisbewertung – wurden diewichtigsten Methoden aufgezeigt, mitdenen sich die Funktion und Effizienz vonkomplexen Systemen überprüfen und op-timieren lässt.

Einbettung in einSystemsimulations-ModellFür Raphael Gutser von der SGL CarbonGmbH war das Seminar sehr hilfreich, daer die kombinierte Simulation verschie-dener physikalischer Modelle im Rahmeneines globalen Regelmodells detailliert ken-nenlernte. „Dadurch konnte ich bei SGLCarbon den Ansatz der modelltechnischenKombination von FEM und Regelungs-technik verdeutlichen und den Nutzensowie die Anwendbarkeit der Modellord-nungsreduktion erläutern“, erklärt er. Fürihn ist jetzt von Interesse, mehr über dieRegelung von transienten Zusammen-hängen zu erfahren.

Harald Kollmeier von Husky InjectionMolding Systems berichtet über seine Se-minarerfahrungen: „Ich würde nicht be-haupten, dass die Struktur unseres Kon-struktionsbüros, das eine traditionelleTrennung von Strukturmechanikern undRegelungstechnikern widerspiegelt, sich innaher Zukunft grundsätzlich ändern wird.Es wird allerdings durchaus gesehen, dassdie Berücksichtigung eines reduziertenmechanischen Modells bei der Auslegungder Regelung die Qualität dieser Regelungverbessern und die typischen ‚try anderror‘ Sequenzen an der Maschine redu-zieren könnte. Dieses soll in nächster Zu-kunft an einem limitierten Testbeispieldurchgespielt werden, was zwangsweise zueiner besseren Zusammenarbeit führenwird.“

InfoKontakt


Tel. +49 (0)8092-7005-17

[email protected]


ANSYS Maxwell, ANSYS Simplorer, ANSYS Mechanical

InfoSeminar

Regelungstechnik und FEM-Simulation

17. – 18. September 2012 in Dortmund

www.esocaet.com/regelung

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Im Februar 2012 wurde von CADFEM erstmals das zweitägige

Seminar „Regelungstechnik und FEM-Simulation“ angeboten,

das rund ein Dutzend interessierte Teilnehmer nach Grafing zog.

Mit diesem Seminar mit Pilotcharakter sind nicht nur die Teilneh-

mer in eine neue Lernphase getreten, sondern auch die CADFEM

Spezialisten wollten mehr über die Anforderungen ihrer Kunden

in der Mechatronik-Praxis (Mechanik + Elektronik) erfahren.

Zwei Welten wachsen zusammen

Regelungstechnik und FEM-Simulation

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ie Unternehmensgruppe Dop-pelmayr mit ihrem Hauptwerkin Wolfurt im österreichischenVorarlberg ist mit Produktions-

standorten sowie Vertriebs- und Service-Niederlassungen in über 33 Ländern derWelt vertreten. Insgesamt konnten bis heu-te mehr als 14.200 Seilbahnsysteme fürKunden in über 86 Staaten realisiertwerden.

Seine heutige Größe und den Stellenwerterreichte das Unternehmen insbesonderedurch die Entwicklung von kuppelbarenSeilbahnen für den Personentransport. Bei der Errichtung der 8er Gondelbahn„Grasjoch" für die Silvretta Montafon Berg-

voneinander ausgeführt. Das gilt z.B. fürSeilscheiben, Antrieb oder Notantrieb. ZurAuslegung und Absicherung der Systemesetzt Doppelmayr schon seit vielen Jahrenerfolgreich ANSYS ein und wird vonCADFEM bei der Aus- und Weiterbildungder Mitarbeiter unterstützt.

Strenge NormenDa Doppelmayr seine Seilbahnsysteme in-ternational vermarktet, müssen die unter-schiedlichen Berechnungsnormen der einzelnen Staaten erfüllt werden. Ein an-schauliches Beispiel dafür ist die Dimen-sionierung der Abhebeböcke, die an der



bahnen AG im vergangenen Jahr hat Dop-pelmayr einen weiteren Meilenstein mo-derner Seilbahntechnik gesetzt: Die Gras-jochbahn ist weltweit die erste kuppelbareGondelbahn, bei der durch ein innovativesRäumungskonzept sichergestellt wird, dassim Bergefall die Gondeln garantiert in dieStationen zurückgebracht werden können.Eine herkömmliche Bergung der Passagieremit Abseilen etc. ist nicht mehr notwendig.Damit wird höchster Komfort mit größt-möglicher Sicherheit geboten und ein stress-freies Fahrvergnügen garantiert. Dies ge-lingt insbesondere durch „Redundanz":Sämtliche funktionsrelevanten Anlagenbe-standteile sind doppelt und unabhängig

Traglastberechnung des Seilabhebebockes an einer Tragstütze

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Seit über 100 Jahren steht der Name Doppelmayr, heute weltweit führender Hersteller von Seilbahnen, für

Sessel- und Kabinenbahnen über Pendel- und Standseilbahnen bis zu Förderbändern auf Seilen und seilge


Spitze der Seilbahnstützen während War-tungs- und Reparaturarbeiten das För-derseil an der Rollenbatterie anheben. DerAbhebebock muss also die Last einer vollbesetzten Bahn tragen. Bild 1 zeigt einensogenannten V-Abhebebock, der bei be-sonders großen Lastszenarien zum Einsatzkommt.

Auslegung des V-AbhebebocksDie an den nationalen Vorschriften einesneuen Seilbahnsystems orientierte Aus-legung eines solchen V-Abhebebocks isteine der vielen Aufgabenstellungen, die die

erfahrenen Ingenieure bei Doppelmayr mitANSYS bewältigen. Ein V-Abhebebock be-steht im Wesentlichen aus einem RHS-Rohr, zwei Stehern aus verschweißtenBrennschnittteilen und den Abhebelaschen.Er wird mit Schrauben und einer Gegen-platte an ein Stützenjoch geklemmt. Au-ßerdem befindet sich unter der Platte amAbhebebock ein Bolzen, der drehbar imJoch gelagert ist. Als Werkstoff kommt ge-nerell ein kaltzäher Baustahl zum Einsatz.

Eine wichtige Funktion hat zudem dieRollenbatterie, die je nach Anzahl undTragfähigkeit der Rollen eine maximaleStützenlast von 120 kN haben muss, wobeifür die Tragfähigkeit der einzelnen Rollen

je nach Winkel bis zu 10,0 kN gefordertwird. Die entsprechende Seilbahnnormschreibt zudem vor, dass eine Winkel-übertreibung von 5° einzukalkulieren ist.Die Kraftwirkung selbst erfolgt überDruck an der Abhebelasche.

Für die Berechnung mit ANSYS ergibtsich daraus eine komplexe und anspruchs-volle Struktur. Um die Rechenzeiten mo-derat zu halten, werden deshalb bereits beimPreprocessing Vorkehrungen getroffen: AlleKomponenten, die für das Ergebnis irre-levant sind, werden mit geeigneten Solid-Shell-Elementen abgebildet und nur bei denTeilen mit Einfluss auf die Auswertungwerden detaillierte Volumenkörper einge-

technische Zuverlässigkeit und Innovationskraft. Die Produktpalette reicht von Schleppliften,

zogenen Nahverkehrssystemen. Dabei stehen Sicherheit und Komfort an oberster Stelle.


setzt. Alle Schraubverbindungen sind imANSYS Modell vorgespannt und an denBerührungsstellen mit reibungsbehaftetenKontakten versehen. Der gegenüberlie-gende Teil des Joches wird an der Platte alsfest eingespannt definiert. Schließlich wirdfür die Traglastberechnung das passendeMaterialmodell mit einer bilinear isotropenVerfestigung ausgewählt.

Damit kann die eigentliche Traglastbe-rechnung der Konstruktion „V-Abhe-bebock“ erfolgen. Das Berechnungsteamvon Doppelmayr kann das Modell nun inden maßgeblichen Bereichen flexibel aufsämtliche sicherheitsrelevanten Aspekte un-

tersuchen und frühzeitig Maßnahmen ein-leiten, falls geforderte Normen noch nichterreicht sind. Mit einem umfassendenNachweis, der das Knicken und Kippenunter Berücksichtigung der Vorspannef-fekte in Abhängigkeit des Herstellver-fahrens erfasst, stellt Doppelmayr sicher,dass alle für den Seilbahnbau vorgegebenenVorschriften eingehalten werden. Im ab-schließenden Schritt wird die Gesamt-struktur einer nichtlinearen Strukturanalyseunterzogen, bei der die Norm für großeVerformungen ausschlaggebend ist. Er-gänzend zu ANSYS wird auch der Nut-zungsplan mit variierten Spurweiten und

InfoAutor

Helmut Kandolf, Doppelmayr Gruppe

www.doppelmayr.com


Alexander Beck, CADFEM (Suisse) AG

Telefon: +41 (0) 52 368 01-31

[email protected]


ANSYS

Bild 1: Hier ein Stützenkopf als V-Bock, der bei großen Belastungen eingesetzt wird.

Bild 2: Auswertung der Vergleichsspan-nung in ANSYS.

NAFEMS DEUTSCHSPRACHIGE KONFERENZ 1́2Berechnung und Simulation: Anwendungen, Entwicklungen, Trends

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• 98 Präsentationen in 28 Fachsessions • Keynote-Vorträge: • Parallel: FEM und CFD Trainingskurse Dr.-Ing. R. Sundermeier (Volkswagen AG) • Große Hard- und Softwareausstellung Prof. Dr.-Ing. P. Wriggers (Univ. Hannover) • Neutral, übergreifend, unabhängig! • Kostenlos für NAFEMS Mitglieder (vier credits)*

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NAFEMS MULTIPHYSICS CONFERENCE ´12 NAFEMS AKUSTIK SEMINAR ´12 NAFEMS WORLD CONGRESS ´1316. - 17. Oktober 2012, Frankfurt 6. - 7. November 2012, Wiesbaden Die Welt der Simulation trifft sich in Europa.www.nafems.org/mp2012 www.nafems.org/aku2012 Reichen Sie ein Paper ein! www.nafems.org/nwc13

WERDEN AUCH SIE NAFEMS MITGLIED!NAFEMS ist die neutrale, internationale und unabhängige Interessenvertretung der Anwender numerischer Simula-tionsmethoden. Sie bietet Fortbildungen (CFD/FEM-Kurse, e-learning, Konferenzen, Literatur), Informationen, Net-working u.v.m. *Mitglieder erhalten „seminar credits“ zur kostenlosen Teilnahme an ausgewiesenen Events.

INFOPLANER i dd 1 24 02 2012 10 57 24

Abhebewinkeln ausgewertet, wofür ein spe-zielles Stabwerksprogramm eingesetzt wird.

Gerade bei Produkten wie Seilbahnsys-temen, bei denen Prototypentests wennüberhaupt, nur sehr eingeschränkt möglichsind, nimmt die Simulation eine Schlüs-selrolle ein. Durch den konsequenten undgewissenhaften Einsatz der Simulation ge-lingt es dem technologisch ohnehin her-vorragend aufgestellten Traditionsunter-nehmen Doppelmayr, die im Seilbahnbaueinerseits sehr hohen, andererseits auchländerspezifisch sehr unterschiedlichen Si-cherheitsstandards zuverlässig zu erfüllen– eine beruhigende Nachricht für alleBergfreunde!

European School

of CAE Technology

Weiterbildungsangebote im Bereich der Simulation

CAE-Seminare

FEM-Grundlagen · Elektromobilität · Medizintechnik

Festigkeitsnachweise · Bauwesen · Mehr als Struktur-

mechanik · Vertrieb, Qualität und Recht

Sommerakademien

CADFEM Forum

Zusammenarbeit mit Low-Cost CAE-Dienstleistern

CAE-Studium

Applied Computational Mechanics (M.Eng.)

Sommerschule für Doktoranden

Elektromagnetische Simulation /

Neu: Simulation in der Medizintechnik

CAE-Training

eFEM für Praktiker: FEM online erlernen

S. II / VI

S. III

S. IV / V

S. VII

S. VIII

CADFEM CAE-Weiterbildung II

European School of CAE Technology

Weiterbildungsangebote im Bereich der Simulation

Seit Beginn 2011 hat CADFEM sein Schulungsangebot in zwei

Säulen strukturiert. Ergänzend zu den vielfältigen Seminaren,

die Sie in der Handhabung unserer Softwareprodukte unterstüt-

zen, ist ein zweiter Bereich entstanden: die European School of

CAE Technology – kurz esocaet.

2003 begannen wir unsere Aktivitäten mit dem Arbeitstitel esocaet

für das EU-geförderte Projekt zur Etablierung des berufsbegleiten-

den Masterstudiengangs Applied Computational Mechanics. Inzwi-

schen betreuen wir in diesem Geschäftsbereich ein breites Weiter-

bildungsangebot: vom dreimonatigen Training für FEM-Einsteiger

über Spezialseminare bis hin zum zweijährigen berufsbegleitenden

Masterstudium. Dabei kooperieren

wir mit Dozenten, die CAE-Kenntnis-

se aus verschiedenen Industrieun-

ternehmen und Hochschulen mit-

bringen und allgemein anerkannte

Spezialisten in ihren Fachgebieten

sind.

Darüber hinaus unterstützen wir die bessere Verankerung der Si-

mulation im Bereich der MINT-Ausbildung in Deutschland. In Ko-

operation mit dem Gymnasium Gra� ng wurde ein Projektkurs

angeboten, der interessierten Schülern Simulationserfahrungen er-

möglichte. Die Initiative wird am Gymnasium Herzogenaurach fort-

gesetzt. Im universitären Bereich runden zwei Sommerschulen für

Doktoranden das Engagement ab.

NEU: Berufsbegleitender Studiengang

„Electromobility Engineering“ (M.Sc.)

Im September 2012 wird erstmalig der berufsbegleitende Master-

studiengang „Electromobility Engineering“ von der Universität der

Bundeswehr München (UniBw M) angeboten. Unter der akademi-

schen Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling bietet er Führungs-

kräften und spezialisierten Entwicklungsingenieuren eine fundierte

wissenschaftliche Ausbildung im Innovationsgebiet Elektromobili-

tät. Für den Studiengang konnte die UniBw M renommiertes Lehr-

personal unterschiedlicher Hochschulen gewinnen. Ebenso wer-

den erfahrene Experten aus der Industrie, so zum Beispiel von

Siemens, In� neon und CADFEM, in den Lehrkörper eingebunden,

um eine praxisorientierte Ausrich-

tung der Studieninhalte an den aktu-

ellen Fragestellungen und Bedürfnis-

sen im Bereich der Elektromobilität

zu gewährleisten. Die Inhalte des Stu-

diengangs umfassen verschiedene

Entwicklungsbereiche: von den Ener-

giespeichermedien über elektrische Antriebe und Bordnetze bis hin

zur Simulation dieser komplexen Systeme.

Das englischsprachige Masterstudium dauert zwei Jahre und drei

Monate und schließt mit dem Titel Master of Science (M.Sc.) ab.

Weitere Informationen erhalten Sie am Weiterbildungsinstitut der

Universität der Bundeswehr München casc sowie im Internet un-

ter www.casc.de.

FKM-Richtlinie Festigkeitsnachweis im Maschinenbau 26.04. in Berlin

Angewandte Methoden der Betriebsfestigkeit 07.05. in Grafi ng

Festigkeitsnachweis von Schweißverbindungen 09.05. in Leinfelden-Echterdingen 13.06. in Wien (A)

Berechnungen von Schraubenverbindungen 11.05. in Grafi ng 07.09. in Aadorf (CH)

Fluid meets Structure - FSI 14.05. in Hannover

Verifi kation von FE-Ergebnissen 15.05. in Grafi ng

Simulationsmethodik für Batteriepacks 17.05. in Hannover

Numerische Analysen bei Druckgeräten 23.05. in Grafi ng 19.09. in Leinfelden-Echterdingen

TRIZ-Workshop: Systematische Kreativität 13.06. in Grafi ng

Qualitätsmanagement für FEM-Berechnungen 14.06. in Grafi ng

Mechanische Grundlagen im FEM-Alltag 26.06. in Grafi ng

Technische Akustik & Maschinenakustik 28.06. in Grafi ng

SEMINAR TERMINE / ORT

Aktuelle Seminartermine

»Computersimulationen haben sich neben Theorie und

Experiment zur „Dritten Säule der Wissenschaft“ entwickelt.«

(Annette Schavan, Bundesministerin für Bildung und Forschung,

Quelle: Südwestpresse vom 25.02.12)

www.esocaet.com III

CADFEM Forum

Einladung zum 9. CADFEM Forum

Das seit 2007 durchgeführte CADFEM Forum (bis-

her CAE-Forum) bietet eine informative Plattform für

Simulationsverantwortliche und -interessierte aus

Wirtschaft und Wissenschaft. Die nächste Veranstal-

tung wird am 21. Juni 2012 unter der Leitung von Herrn

Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack an der Friedrich-Alex-

ander-Universität in Erlangen-Nürnberg statt� nden.

„Zusammenarbeit mit Low-Cost CAE-

Dienstleistern - Status nach einer Dekade“

Seit etwa einer Dekade bieten CAE-Dienstleister aus

Ländern mit niedrigem Lohnniveau ihre Dienstleistun-

gen auf dem mitteleuropäischen Markt an. Neben An-

bietern aus dem näheren, vor allem osteuropäischen

Ausland haben sich speziell im CAE-Bereich auch Fir-

men aus weiter entfernten Ländern wie Indien und

China gut positioniert. Nach einem anfänglichen Hype

kehrte schnell Ernüchterung ein. Denn Firmen hier-

zulande mussten feststellen, dass in vielen Fällen die

vermeintlichen Kostenvorteile mit unvorhergesehenen

Nachteilen einher gingen. Inzwischen haben sich viel-

fältige Formen der Zusammenarbeit mit verschiedens-

ten, kostengünstigen CAE-Dienstleistern etabliert, die

in diesem Workshop diskutiert werden sollen. Simula-

tionsexperten aus namhaften Engineering-Firmen stel-

len in Impulsvorträgen vor, welche Strategien zur Zu-

sammenarbeit sich in den letzten Jahre durchgesetzt

haben, welcher Stand heute erreicht werden konnte

und welche Chancen, aber auch welche Restriktionen

noch immer bestehen.

Rückblick auf das 8. CADFEM Forum

Im Rahmen des 8. CADFEM Forums stand im Okto-

ber 2011 der Aspekt der Reibungsreduzierung im Mit-

telpunkt der Diskussion. In dem einleitenden Vortrag

wies Martin Weschta (Friedrich-Alexander-Universi-

tät Erlangen-Nürnberg) darauf hin, dass die Simulati-

on von Reibungsvorgängen häu� g ein Problem mit gro-

ßen Skalenunterschieden ist. Reibungsreduzierende

Beschichtungen stellen noch große Herausforderun-

gen bezüglich einer sicheren Lebensdauervorhersage

dar. Außerdem erfordern extreme Betriebsbedingungen

in Wälzlagern die Berücksichtigung elastischer Defor-

mationen. Dr.-Ing. Dirk Bartel (Otto-von-Guericke-Uni-

versität Magdeburg) berichtete über seine Forschungen

zur Reibungsreduzierung von mischreibungsbean-

spruchten Tribosystemen durch Simulation.

Prof. Dr.-Ing. Marius Geller (Fachhochschule Dort-

mund) ging in seinem Vortrag auf die Möglichkeiten

der transienten Gleitlagersimulation ein. Er verdeut-

lichte, dass es mit der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI)

möglich ist, Untersuchung an einem virtuellen Modell

unter Einbeziehung nahezu aller physikalischen Phä-

nomene bei gleichzeitiger Reduktion des Zeit- und Kos-

tenaufwandes wirtschaftlich durchzuführen.

Dr.-Ing. Vladimir Vesselinov (AMSC Windtec GmbH)

machte in seinem Vortrag „Täuschung und Wahrheit

im Wälzlager“ darauf aufmerksam, dass mehr als 100

Milliarden Euro Verluste in Deutschland durch Reibung

und Verschleiß entstehen, wobei rund 15 Prozent davon

vermeidbar wären. Er verwies darauf, dass mit der Fini-

te-Elemente-Methode (FEM) sowie mit der Mehrkörper-

simulation (MKS) die Realität wirklichkeitsnah nach-

gebildet werden könne, um somit das Einsparpotential

möglichst umfassend zu erschließen.

Eine ausführliche Version des Berichtes � nden Sie auf

unserer Website.

Das CADFEM Forum wird

von Prof. Dr.-Ing. Sandro

Wartzack geleitet


www.esocaet.com/CADFEM-forum

Ansprechpartner

Anja Höller, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0) 8092/7005-74


Foto

: Jan

-Ste

fan

Knic

k

CADFEM CAE-Weiterbildung IV

Berufsbegleitend zum CAE-Master

Berufsbegleitende Weiterbildung hat Konjunktur,

folglich präsentieren sich immer wieder neue An-

bieter am Markt, um der wachsenden Nachfrage ge-

recht zu werden. Aber speziell bei der berufsbeglei-

tenden technischen Weiterbildung zählt Erfahrung

und Anwendungs-Know-how. Hier hat esocaet seine

Stärken. Seit 2005 wird das Masterstudium „Applied

Computational Mechanics“, das auf Berufstätige zu-

geschnitten ist, mit den Hochschulen Landshut und

Ingolstadt erfolgreich durchgeführt.

Der Studiengang vermittelt innerhalb von zwei Jahren

praxisorientiertes Wissen in allen CAE-Disziplinen, wo-

bei spezielle Managementthemen für Ingenieure das be-

rufsbegleitende Studium abrunden. Dazu erklärt Ste-

ven Junor, Masterabsolvent aus den USA: „Das Studium

und die parallele Tätigkeit eröffneten mir den Zugang zu

Simulationsanwendungen, die zu den modernsten und

leistungsfähigsten der CAE-Branche zählen, unter ande-

rem zur Analyse von Faserverbundwerkstoffen, zur Mul-

tiphysik-Simulation und zur Robust-Design-Optimierung.

Diese umfassenden Anwendungsmöglichkeiten waren für

mich einzigartig. (…) Die Dozenten des Masterstudiums

verfügen über jahrelange Erfahrungen und waren in der

Lage, mich auf allgemeine Fallstricke hinzuweisen, die

neuen Studenten häu� g Probleme bereiten, beziehungs-

weise auf Fehler, die sie früher selber gemacht haben.“

Im Gegensatz zu reinen Präsenzstudiengängen pro� tie-

ren die Studierenden von komprimierten Präsenzblöcken

und können dadurch Beruf und Studium sinnvoll mitei-

nander verbinden. Zusätzliche Vorteile verschafft der di-

rekte Kontakt zu Mitstudierenden und Dozenten, die von

unterschiedlichen Hochschulen und aus der Industrie

kommen. Beispielsweise können eigene Problemstellun-

gen aus dem Berufsalltag in das Studium eingebracht und

mit Experten diskutiert werden. „Durch die kleinen Grup-

pen herrschte im Masterstudium eine sehr gute Arbeits-

atmosphäre, in der uns eine ausgewogene Mischung von

theoretischen und praktischen Kenntnissen vermittelt

wurde“, berichtet Krishna Kusupudi, Masterabsolvent aus

Indien, und weiter: „Die moderne Infrastruktur der betei-

ligten Hochschulen in Landshut und Ingolstadt trug mit

zu der guten Arbeitsatmosphäre bei und natürlich auch

die umfassende Kompetenz der Dozenten, die teilweise

über vielfältige Industrieerfahrungen verfügen.“

Neuerungen bezüglich der Zulassung

Berufspraxis: Die notwendige Länge der zusammenhän-

genden einschlägigen Berufserfahrung nach dem ersten

Hochschulabschluss wurde auf ein Jahr verkürzt.

Englische Sprachkenntnisse: Für das englischsprachi-

ge Masterstudium müssen Sie Englisch-Sprachkenntnis-

se entsprechend dem Sprachniveau B2 des Gemeinsamen

Europäischen Referenzrahmens nachweisen. Alternativ

zum TOEFL gelten jetzt auch andere Zerti� kate als Nach-

weis, zum Beispiel erfolgreich absolvierte Sprachkurse

oder auch längere Auslandsaufenthalte.

Hochschulabschluss: Notwendig ist ein erfolgreicher

Hochschulabschluss im Bereich der Ingenieur- oder Na-

turwissenschaften an einer Hochschule oder einer Berufs-

akademie mit der Prüfungsgesamtnote „gut“ oder besser

und 210 ECTS-Punkten. Bewerber mit einem Bachelor-Ab-

schluss mit 180 ECTS oder einem anderen Notendurch-

schnitt können bei entsprechender Eignung ebenfalls zu-

gelassen werden.

Eignungsfeststellungsverfahren: Das Interview an den

Hochschulen wird in Zukunft nicht mehr Voraussetzung

zur Aufnahme zum Studium sein, kann aber freiwillig ab-

solviert werden.

CAE-Studium


www.esocaet.com/studium

Ansprechpartner

Anja Vogel, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0) 8092/7005-52


Veranstaltungshinweise

Info-Webinar

Termine unter

www.esocaet.com/webinar-acm

Info-Veranstaltung

20.4.2012 an der HAW Ingolstadt

www.esocaet.com/infotag-acm

www.esocaet.com V

CAE-Studium

Blick über den Tellerrand

Die Projektarbeit gemeinsam mit Studierenden aus den

USA und Indien bereitete mich sehr gut auf die Zusam-

menarbeit mit internationalen Kollegen vor. Gerade

in einem weltweit agierenden Unternehmen wie Bro-

se wird täglich deutlich, wie stark sich die Mentalitä-

ten und Arbeitsweisen einzelner Nationalitäten unter-

scheiden. Durch den freundschaftlichen Umgang der

Teilnehmer konnten wertvolle interkulturelle Erfahrun-

gen für den Berufsalltag gewonnen werden.

Während des berufsbegleitenden Studiums wurden die

vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der Finite-Ele-

mente-Methode vorgestellt, die zum Teil weit über die

Anwendungen der eigenen beru� ichen Tätigkeit hin-

ausgehen. Dadurch eröffnet sich ein Blick „über den

Tellerrand hinaus“, der zu neuen kreativen Lösungsan-

sätzen im eigenen Betrieb führen kann.

Durch die gute zeitliche Planung der Präsenzblöcke lie-

ßen sich Beruf und Studium gut miteinander vereinba-

ren.

Annette Merklein

Dipl-Ing. (BA) Maschinenbau &

M.Eng. Applied Computational Mechanics

Berechnungsingenieurin bei Brose, Hallstadt

Exactly what I wanted

When I started working as an FE analyst in Whirlpool

India, I realized quickly the need for the further educa-

tion in simulation � eld to be more con� dent and com-

petent. I was looking for such a course over a year and

� nally I found exactly what I wanted with this course.

The master course is a perfect blend of the theoretical

and practical part of the study. The lab works and as-

signments were designed to complement the theory.

The professors were best in their subject matter and had

diversi� ed experience. They had practical approach to

teach the things so it was more interesting to learn from

them.

The overall bene� t of the study is that it stimulates

the thought process and encourages us to learn more

on our own. This will help me to succeed in a dynamic

� eld like simulation where continuous learning is the

key. I had been using many things in my previous work,

but did not know what exactly it meant, now after this

course I know what I am doing.

Sushant Bobade

BE Mechanical at University of Mumbai &

M.Eng. Applied Computational Mechanics

CAE Specialist at Whirlpool of India, Pune

Annette Merklein

und Sushant Bobade

Foto

: Rut

h Ha

se

CADFEM CAE-Weiterbildung VI

CAE-Sommerakademie

Der Sommer lädt zum Reisen ein …

… deshalb � nden Sie nachfolgend einige Vorschläge,

wie Sie das Thema Weiterbildung mit ein wenig Flair

verbinden können. Sei es die Sommerakademie Com-

posites in Windisch, nicht weit von Zürich entfernt,

oder aber die Sommerakademie Messen und Simulie-

ren in Wien – neben dem interessanten Einblicken in

das Zusammenspiel von Praxis und Simulation bleibt

sicher auch Zeit, Neues zu entdecken.

Sommerakademie Composites

Von der Auslegung über die Analyse bis zur Fertigung

ist der Untertitel des fünftägigen Programms an der

Fachhochschule Nordwestschweiz, in dem viele Facet-

ten von kohleverstärkten Faserverbundstrukturen be-

trachtet werden. Da es sich bei Composites um „zusam-

mengesetzte“ Materialien handelt, haben diese auch

andere Eigenschaften als ihre einzelnen Komponenten.

Um diesem neuen Material gerecht zu werden, müssen

Entwicklung und Produktion gewohnte Pfade verlassen

und ihre Prozesse neu überdenken.

Dabei ist gegenseitiges Verständnis gefragt, deshalb

werden unter anderem folgende Fragen gestellt: Was

ist herstellbar? Welche Toleranzen können eingehal-

ten werden? Ist ein spezi� sches Gewebe überhaupt ab-

legbar? Wie wird ein Bauteil konsolidiert? Wie entsteht

eine komplexe Baugruppe? Wie werden Schnittstellen



Termin

Termin

www.esocaet.com/sommerakademie-

composites

Ansprechpartner

Fabian Bründler, CADFEM (Suisse) AG

Tel. +41 (0) 32/675 80-72


www.esocaet.com/sommerakademie-

betriebsfestigkeit

Ansprechpartner

Bernhard Hößl, CADFEM (Austria) GmbH

Tel. +43 (0) 1/587 70 73-11


2. - 6. Juli 2012

in Windisch

23. - 26. Juli 2012

in Wien

Messung und Simulation: Zwei Disziplinen – ein Ziel,

nämlich die Prognose der Lebensdauer eines Produk-

tes. In der von CADFEM und HBM (Hottinger Baldwin

Messtechnik) gemeinsam ausgerichteten Sommeraka-

demie „Betriebsfestigkeit – Messen und Simulieren“

werden die Teilnehmer das dynamische Wechselspiel

von Messung und Simulation an einem realen Bauteil

hautnah erleben.

Der zeitliche Aufwand für Messungen ist oft beträcht-

lich, denn neben der Applikation der Technik muss die

notwendige Zeit zur Durchführung berücksichtigt wer-

den. Mitarbeiter von HBM haben auf Querlenker aus der

Vorderachse eines VW Golf VI Dehnmessstreifen (DMS)

appliziert und damit die Belastungen während eines ty-

pischen Fahrzyklus gemessen. Im Seminar wird dann

der ausgebaute Querlenker inklusive funktionsfähiger

Messtechnik zum Anfassen präsentiert. Anschließend

und Krafteinleitungen gestaltet? Was ist bei der Simula-

tion von Composite-Strukturen zu beachten?

Die 3. Sommerakademie schlägt wieder die Brücke zwi-

schen Konstruktion, Berechnung und Herstellung. Sie

präsentiert den aktuellen Stand der Technik im Bereich

der Berechnung von Composite-Strukturen und ermög-

licht Diskussionen darüber, wie Fertigung und Ent-

wicklung optimal zusammenarbeiten können. Dabei

werden die Teilnehmer selber „Hand anlegen“ und ein

eigenes Composite-Bauteil herstellen und prüfen.

Angeboten wird die Sommerakademie als Kooperation

der CADFEM (Suisse) AG, dem Institut für Kunststoff-

technik der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW

IKT), der EVEN - Evolutionary Engineering AG und der

Advanced Composites Group Ltd.

erfahren die Teilnehmer der Sommerakademie, wie sie

die gemessenen Daten richtig interpretieren und für die

Berechnung der Lebensdauer verarbeiten müssen. Zum

Abschluss des Seminars wird darauf eingegangen, wie

die Form des Querlenkers verbessert werden könnte.

Sommerakademie Betriebsfestigkeit – Messen und Simulieren

www.esocaet.com VII

CAE-Sommerschule

Die folgenden Sommerschulen richten sich an Dok-

toranden, die sich bereits während ihrer Promotions-

phase intensiv mit der Simulation befassen. Neben

der Vermittlung mathematischer und physikalischer

Aspekte sowie der Softwareanwendung steht die ge-

meinsame Diskussion aktueller Forschungsthemen

und Lösungsansätze der Teilnehmer im Vordergrund.

Elektromagnetische Berechnungen

Seit September 2009 veranstaltet die Bergische Univer-

sität Wuppertal jährlich eine Sommerschule zum The-

ma „Elektromagnetische Berechnungen“. Der Work-

shop wird vom Lehrstuhl für Elektrische Maschinen

und Antriebe in Kooperation mit der Firma CADFEM

ausgerichtet und � ndet in diesem Jahr vom 3. bis zum

7. September statt. Schwerpunkte werden die Themen

Feld- und Systemkopplungen sein.

Die EM-Sommerschule richtet sich an Doktoranden, die

im Bereich elektromagnetische Simulation tätig sind.

Im Workshop sollen neben den Grundlagen der Berech-

nung elektromagnetischer Felder mit ihren Potential-

formulierungen auch die Anwendung der Programme

Maxwell, ANSYS Mechanical und Simplorer für die Lö-

sung von Simulationsaufgaben behandelt werden. Wei-

terhin wird von jedem Teilnehmer ein zehnminütiger

Vortrag zum Thema seiner Dissertation erbeten. Außer-

dem besteht die Möglichkeit, Probleme zu schildern,

diese gemeinsam mit den Experten der Firma CADFEM

zu diskutieren und Lösungen vor Ort zu � nden.

Über die Teilnahme an der Veranstaltung entscheidet

eine Kurzbewerbung, die das Thema und den Arbeits-

stand der Dissertation, die Erfahrungen im Bereich

elektromagnetische Simulationen sowie die Erwartun-

gen an die Sommerschule schildern soll. Die Bewer-

bung erfolgt über die Homepage des Lehrstuhls für

Elektrische Maschinen und Antriebe der Bergischen

Universität Wuppertal und ist vom 1. April bis Ende Juni

2012 möglich.

Simulation in der Medizintechnik

Im Sommer 2012 wollen wir erstmalig eine Sommer-

schule für Doktoranden im Bereich der Medizintech-

nik anbieten. Im Workshop sollen verschiedene The-

menfelder von theoretischer Seite betrachtet, geeignete

Simulationsprogramme vorgestellt und diese an aktu-

ellen Problemen der Medizintechnik demonstriert wer-

den. Die Teilnehmer werden dazu eingeladen, eigene

aktuelle Lösungsansätze zu präsentieren und ungelös-

te Probleme zur Diskussion zu stellen.

Die Sommerschule wird in Kooperation mit dem Zent-

ralinstitut für Medizintechnik der Technischen Univer-

sität München (IMETUM) vorbereitet. Am Institut sind

derzeit zehn Arbeitsgruppen der Medizintechnik aus

der TU München aktiv, die sich u.a. mit bildgebenden

Verfahren von Einzelmolekülen bis hin zum Patienten

beschäftigt, außerdem mit medizinischen Geräten, mit

Zellbiologie und Tumorforschung.


www.esocaet.com/sommerschule

Ansprechpartner

Anja Vogel, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0) 8092/7005-52


Dr. Martin Hanke, Dozent der EM-Sommerschule an der Bergischen

Universität Wuppertal

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VIII

FEM online erlernen

Flexibel & praxisorientiert

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Berufsbegleitender Einstieg in die Simulation

Technische Mechanik für die FEM

Grundlagen und Praxis der FEM-Simulation

QM für die Berechnung

Simulationsprojekt: Spannungsanalyse

Solide Kenntnisse in nur 3 Monaten

Flexible Zeiteinteilung

Aufgabenstellung aus der Ingenieurspraxis

Kontinuierliche Betreuung durch erfahrene Kursleiter

Inklusive Präsenzseminaren und Online-Sprechstunden

Kick-off am 10. Mai in Berlin

Kick-off am 27. September in Grafing

eFEM für Praktiker

CADFEM GmbHAnja HöllerMarktplatz 285576 Grafing b. MünchenTel. +49 - (0)80 92 - 7005 – [email protected]

Weitere Informationen unter www.esocaet.com/training

Inhalte

Ihre Vorteile

Neue Kursgruppen 2012


G R U N D L A G E N & T E C H N O L O G I E N

Formal Definition of ModelReductionBefore solving, ANSYS discretizes thecomputational domain. This includes notonly meshing but also creating a system ofequations to solve – first for each element,and then for the complete domain. In thecase of a transient analysis of a secondorder system, the resulting ordinary diffe-rential equations are as follows:

Eq (1) is shown schematically in the upperpart of Fig 2. There are three global ma-

trices, the mass matrix M, the dampingmatrix E and the stiffness matrix K, addi-tionally the state vector x, that includes alldegrees of freedom (one node could haveseveral degrees of freedom, for example instructural mechanics UX, UY, and UZ),and the load. The goal is to reduce thenumber of degrees of freedom in Eq (1) inthe state vector (and hence in the ma-trices), in order to solve it fast at systemlevel. For a thermal problem, the massmatrix does not exist (M = 0), thedamping matrix is the heat capacity matrix,the stiffness matrix is the heat conductivitymatrix, and, in this case, the number of

nodes is equal to the number of degrees offreedom (a node has just TEMP).

In the last 20 years, this problem hasbeen extensively researched by mathemati-cians (see Fig 3). Before we consider this, letus introduce in Eq (1) inputs and outputs,as these terms are not present directly at thelevel of the finite element modeling. Let usstart with the load that could be time de-pendent f(t). The goal would be to split it toa combination of constant vectors bi andtime dependent functions u(t)

The constant vectors transfer the time de-pendent function to different degrees offreedom. For example, a time dependentforce on a surface could be expressed as afunction in time that acts on nodes in thesurface and the vector bi distributes thisforce accordingly. When we need to haveseveral independent time dependent func-tions at system level, we introduce severalinput functions, and finally we have aninput matrix B and a vector of scalar inputfunction u (see Fig 2, bottom left side).

At system level, we are not interested inthe complete state vector x, but rather weneed to know just a part of the informationfrom it and this could be defined by meansof the output matrix C

where the vector y collects only infor-mation that we really are interested in (seeFig 2, bottom right). The notation of inputsand outputs allows us to rewrite Eq (1) asfollows

Now the formal model reduction could bedefined as a mathematical problem toreduce the dimension of x while preservingthe dynamical relationships between inputsu and outputs y within prescribed accuracy.

Model Reduction asProjectionFormally speaking, all degrees of freedom inthe state vector x in Eq (4) are independentand it is impossible just to eliminate some ofthem based on pure mathematical manipu-lations. Theoretically, one could reduce de-grees of freedom in x by introducing itshigher derivatives, that means, by increasingthe number of system matrices. However,this does not reduce the computationalcomplexity, it even brings more computa-tional problems. Thereafter, model re-duction is always some approximation.

In previous issues of the CADFEM Infoplaner, several

papers have been already presented about MOR for ANSYS

for practical applications [1-5] (see also [6]). In this issue,

model reduction (see Fig 1) will be introduced from a

mathematical point of view.

Introduction into Model OrderReduction

MOR for ANSYS

(1)

(2)

(3)

(4)

Bild

: Max

x.St

udio

/shu

tter

stoc

k.co

m


In Fig 3 there are different methods formodel reduction. All of them share the ideaof a projection that is expressed as follows(see also Fig 4, top)

Eq (5) states that, provided the error vectoris negligible, the state vector x can be for-mally described by a few degrees offreedom z. Mathematically one speaksabout a low dimensional subspace thatcaptures the system dynamics. Providedwe neglect the error, the state vectors xduring the transient simulation remain inthe low dimensional subspace expressedby the matrix V. If so, one can project Eq(4) on that subspace defined by Eq (5)and obtain the reduced model as follows

(see Fig 4 bottom). The input functionvector u and the output vector y are thesame in Eq (6) and in Eq (4) with an ex-ception of the approximation error be-tween y in both equations:

where y are outputs in the original modeland yr are in the reduced one.

Now let us consider Fig 3 where modelreduction methods are classified accordingto Prof. Antoulas [7]. From a theoreticalviewpoint, the best are the Singular ValuesDecomposition (SVD)-based methods(Fig 3 left), as they have global error esti-mates and produce an optimal reducedmodel where the approximation error isminimal. It is worth noting, that althoughmodel reduction may look like an optimi-zation method to minimize an approxi-mation error (Eq 7), the SVD methods arepure linear algebra algorithms. Mathema-ticians has proved that a reduced modelfound along this way gives us the optimalerror and the optimization as such is not

required during the model reduction.TheSVD methods allow us to make model re-duction completely automatic. An engineerhas to specify permissible approximationtolerance, and then the required dimensionof a reduced model is chosen based on theglobal error estimates. Unfortunately, com-putational time in this case grows cubicallywith the dimension of the state vector.Practically, it means that with modernhardware the number of degrees offreedom to reduce is limited to ten thou-sands. SVD-based methods with betterscaling computational properties (Fig 3,right) are still under development and, atthe moment, implicit moment matching(Fig 3, in the middle) is the only optionthat can be employed for industrial appli-cations right now.

The idea of moment matching is totransform the dynamic system (4) into theLaplace domain, and then to find such alow-dimensional system that has the samefirst derivates in the Taylor expansionaround some point as the original model.

The direct implementation of this idea isnumerically very unstable but mathemati-cians have found that, by means of the ge-neration of a particular Krylov subspace,one finds such a projection subspace thatthe reduced model definitely matches firstmoments. The drawback of moment mat-ching is the absence of global error esti-mates and some engineering Know How isrequired to determine the dimension of thereduced model.

Engineering ModelReductionInterestingly enough that mathematicians(see for example [7]) hardly considermodel reduction methods already availablein ANSYS, such as mode superposition,Guyan reduction, and component modesynthesis (CMS). The reason is that thesemethods are not based on a strict mathe-matical theory but rather on engineeringintuition. To this end, it is very instructiveto compare Antoulas’ book [7] with a ty-

G R U N D L A G E N & T E C H N O L O G I E N

Fig. 1: The idea of model order reduction: automatic way from a finite element thermal model to electro-thermal simulation atthe system level

Fig. 2: Top: Ordinary differential equations (Eq 1) obtained after discretization of a second order system in ANSYS. Bottom left:From load to inputs (Eq 2). Bottom right: Defining outputs fromthe state vector (Eq 3).

Fig. 5: Comparing mode superposition and the Arnoldi based model reduction. Top: The model. Bottom left: A harmonic response by full scale model, modesuperposition and model reduction. The difference is within the line thickness. Bottom right: the relative difference between reduced model and full model

(5)

(7)

(6)

Physics &Geometry

System ofn ODEs

ReducedSystem of

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pical book written by a mechanical en-gineer [8]. While one finds theorem andtheir proofs in [7], the book [8] looks morelike a recipe book. Mathematicians developmodel reduction in the general case of anydynamical system but methods from me-chanical engineers are applicable tostructural mechanics only.

Said that, I would like to state that instructural mechanics the methods deve-loped by mechanical engineers are workingpretty good. Let us look at Fig 5 wheremode superposition is compared with theArnoldi-based model reduction. In Fig 5(bottom, left), the harmonic response of ahard disk drive actuator/suspension system

is compared for the original model inANSYS, the reduced model of the di-mension 80 by MOR for ANSYS, andmode superposition reduced model (80modes have been used). The differencebetween three models is smaller than a linethickness and to see the difference, the re-lative error between reduced models andthe original model is presented in Fig 5bottom right. One can clearly see that ma-thematicians apply model reduction betterthan mechanical engineers yet, on the otherhand the approximation error of a modesuperposition model is already goodenough from an engineering viewpoint(less that 1%).

Thereafter, the next strategy could be rec-ommended. If you are working with a me-chanical model, a good starting point wouldbe the model reduction already available inANSYS. In this case, everything is availablewithin a single environment and it is nec-essary just to employ it in practice. Thecommand SPMWRITE (available alsounder GUI in Mechanical) creates a Sim-plorer model directly after mode analysis.Alternatively MOR for ANSYS (a part ofthe CADFEM Toolbox) can be used in caseof other ANSYS models (thermal, piezo-electric, etc.). In any case by means of mo-del reduction, one can bring a finite elementmodel into system level analysis (see for ex-ample Fig 6 in case of a battery pack [4]).

InfoAuthors

Dr. Tamara Bechthold, Albert-Ludwigs-University,

Freiburg i.Br., Department of Microsystems

Engineering IMTEK;

Dr. Evgeny Rudnyi, CADFEM GmbH

InfoContact | CADFEM

Dr. Evgeny Rudnyi, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0)8092-7005-82

[email protected]

InfoReferences

[1] Modern Model Order Reduction (MOR) for ANSYS.

Infoplaner, 2006, N 2, p. 28.

[2] From ANSYS to System Level Simulation:

MOR for ANSYS. Infoplaner, 2008, N 2, p. 22-23.

[3] Efficient Electrothermal Simulation of Power Elect-

ronics, Infoplaner, 2009, N 1, p. 36-37.

[4] Electrothermal Simulation of a Battery Pack,

Infoplaner, 2011, N 2, p. 22-23.

[5] Der Systemgedanke führt zum Erfolg.

Infoplaner, 2011, N 2, p. 23-24.

[6] E. Rudnyi. Von der FEM- zur Systemsimulation.

Mechatronik, N 10, p. 34-36, 2008.

[7] A. C. Antoulas, Approximation of Large-Scale Dyna-

mical Systems. SIAM, 2005, ISBN: 0898715296.

[8] Z.-Q. Qu, Model Order Reduction Techniques:

with Applications in Finite Element Analysis.

Springer, 2004, ISBN: 1852338075

MoreInformation

http://ModelReduction.com

Fig. 3: A hierarchy of model reduction method according to [7]. Fig. 4: Top: A definition of a projection subspace (Eq 5). Bottom: A reduced system after projection (Eq 6).

Fig. 6: Electrothermal simulation of the battery pack at system level.

MOR for ANSYSdouble-side

Lancsoz algorithm

Low-rankGrammianSVD-Krylov

Control TheoryBTA, HNA, SPA

O(N3)

Linear DynamicSystem, ODEs

one-sideArnoldi process

Moment Matchingvia Krylov subspaces.

Iterative, based onmatrix vector product

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