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CAD.de Schwerpunktthema 2014

Berechnung und SimulationKarl Obermann

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Karl ObermannTel.: +49 (0) 9105 1536E-Mail: [email protected]

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Lieber Leser,

richtig gute Konstruktionen konnte man schon vor lan-ger Zeit, auch ohne Computer, machen. Man denke an die Baumeister der mittelalterlichen Kathedralen oder, noch viel früher, an die römischen Baumeister.

Und auch die Älteren unter unseren Lesern wissen sicher noch gut, wie man Konstruktionen, auch komple-xe, mit Papier und Bleistift in Anschichten und Schnitten fertigt.

Dieses Verfahren wurde zunächst als 2D-CAD auf den Computer übertragen. Es hat genauso lange gedauert, wie beim Zeichnen auf Papier, nur beim Ändern war man schneller.

Der nächste große Schritt war die Konstruktion in 3D. Jetzt konnte die Wirklichkeit so abgebildet werden, wie sie ist: als Volumenmodell und in naturgetreuen Dimensionen.

Wirklich richtiges Neuland betraten die Konstrukteure aber erst durch die Einführung der numerischen Berechnung und Simulation. Das digitale Modell kann heute ‚nach Strich und Faden‘ ausgetestet und optimiert werden, lange bevor noch der erste Span fällt. Hierdurch sind wir in eine neue Ära eingetreten, die ohne Computertechnik gar nicht machbar ist.

Die Basis der Berechnungen ist in den meisten Fällen die Finite Elemente Methode (FEM). Es handelt sich dabei um ein Verfahren zur Lösung von Differenzialgleichun-gen, welches auf verschiedenste physikalische Disziplinen angewendet werden kann. Zunächst wird das Berechnungsgebiet in eine beliebig große Zahl an Elementen un-terteilt. Diese Elemente sind ‚endlich‘ (finite) und nicht unendlich klein. Das Aufteilen des Gebietes in eine bestimmte Anzahl von Elementen finiter Größe, die sich mit einer endlichen Zahl von Parametern beschreiben lassen, gab der Methode den Namen.

Auch in dem vorliegenden Booklet bauen die meisten ‚Geschichten‘ darauf auf.

Es ist eine Zusammenfassung von Informationen, welche von FEM-Herstellern kom-men, aber auch von Anwendern. Sie alle sind bereits auch im CAD.de-Newsletter erschienen, wurden aber hier zusammengefasst und editiert.

Herzlichst IhrKarl Obermann

Inhalt

Speed für elektrische Maschinen: Schnelles Entwurfs-Tool ................................................5

Genaue Bauteilanalyse: „Ansys hat uns überzeugt“...................................................................................................13

Dassault Systèmes übernimmt FE-Design: Optimierungstechnologie gefragt.........................................................................................22

Kohlefaserteile berechnen und optimieren: Mit Hyperworks gelingt es gut .............................................................................................28

Automatisierung der Berechnung: Starker Hebel zur Effizienzsteigerung .................................................................................35

Optimierte Auslegung von Hochspannungskabeln: Weniger Kosten und mehr Strom ........................................................................................43

Comsol Multiphysics: Spezialmodul für die Berechnung von Mikrofluidiks .........................50

Bionische Inspiration für Konstrukteure: solidThinking Inspire wurde von Daimler firmenweit zertifiziert ...........................................56

GPUs richtig nutzen: Schneller rechnen im Engineering.....................................................60

Helfer helfen Helfern............................................................................................................66

Titelseite CADFEM GmbH www.cadfem.deSeite 5 CADnetwork GmbH www.cadnetwork.deSeite 17 PBU CAD-Systeme GmbH www.pbu-cad.deSeite 23 INNEO GmbH www.inneo.deSeite 29 SolidLine AG www.solidline.deSeite 37 Kisters AG viewer.kisters.deSeite 45 PTC GmbH de.ptc.comSeite 54 PNY Quadro GmbH www.pny.euSeite 57 PUMACY Technologies AG www.pumacy.de

Inserentenverzeichnis


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Schwerpunktthema Berechnung und Simulation 5

Speed für elektrische Maschinen: Schnelles Entwurfs-Tool‚Speed‘ (Scottish Power Electronics and Electric Drives Consortium) wurde an der Uni-versität Glasgow entwickelt und befindet sich heute in den Händen von CD-adapco. Was dieses Tool bei der Entwicklung elektrischer Maschinen leisten kann und wie die generel-le Vorgehensweise dabei ist, darüber sprach der CAD.de/Newsletter mit Dr. Markus An-ders, Manager im Bereich Elektrischer Maschinen bei CD-adapco in Nürnberg.

CAD.de/Newsletter: Herr Dr. Anders, Speed ist keine Eigenentwicklung von CD-adapco, sondern kommt von der Universität Glasgow, wo es unter der Leitung von Professor TJE Miller entwickelt wurde. Warum hat CD-adapco dieses Programm gekauft?Dr. Anders: CD-adapco selbst hat Star-CCM+ als Hauptprogramm mit der wesentlichen Stoß-richtung der Strömungssimulation und Erwärmungsberechnung. Da liegt natürlich der Gedanke nahe, dieses Produkt auch für die Erwärmungsberechnung elektrischer Maschinen anzubieten. Mit Speed ist dazu ein guter Einstieg gegeben, da ein Programm übernommen werden konnte, welches schon einen bestehenden Kundenstamm in diesem Bereich besitzt.

http://bit.ly/1yFfe1r

6 Schwerpunktthema Berechnung und Simulation

Speed arbeitet komplett in 2D. Ist das noch zeitgerecht?Speed selbst basiert auf der klassischen Maschinentheorie und ist daher zunächst eine rein analytische Software, welche die dritte, axiale Dimension durch entsprechende Gleichungen mit berücksichtigt. Im Laufe der Zeit wurde jedoch ein eigenes zu Speed passendes 2D FEM-Pro-gramm entwickelt mit dem Ziel der schnellen FEM-Unterstützung: PC-FEA. Dies ist für die rota-tionssymmetrischen Maschinen weitestgehend für den Erstentwurf – und das ist der Focus von Speed – auch heute noch ausreichend.

Daneben arbeitet CD-adapco an einem eigenen sogenannten EMAG-Solver, innerhalb von Star-CCM+, der sowohl als 2D als auch 3D-Produkt auf den Markt kommen wird.

Die 5 Hauptprogramme: PC-BDC, PC-IMD, PC-SRD, PC-DCM und PC-WFC.

Wird der dann Speed ersetzen?Ergänzen ja, ersetzen nein. Der Vorteil von Speed liegt insbesondere darin, dass das System einen analytischen Ansatz hat und damit sehr schnell Ergebnisse liefert, bei der heutigen Hard-ware unmittelbar innerhalb weniger Sekunden.

Das macht Speed bestens für die Ideenfindungs-Phase geeignet. Damit kann man viele Vari-anten in kürzester Zeit durchrechnen. Man hat dabei eine gewisse Ungenauigkeit, was aber in dieser ersten Auslegungsphase akzeptiert werden kann. Viel wichtiger ist die hohe Geschwin-digkeit, die es dem Entwickler erlaubt, aus der Gesamtmenge der Lösungsmöglichkeiten schnell eine passende Lösung zu finden. Das kann der Konstrukteur von Hand steuern oder automa-tisiert über Skripte welche dann auch die Verwendung von Optimierungsalgorithmen oder den Einsatz von Optimierungssoftware ermöglichen.

Bietet CD-adapco einen Optimizer an?Ja, wir verfügen über eine eigene Optimierungssoftware namens Optimate basierend auf Heeds. Heeds stammt von Red Cedar Technology Inc., ein amerikanisches Unternehmen, das im letzten Jahr von CD-adapco ebenfalls übernommen worden ist.

Kann Speed für jede Art von elektrischer Maschine genutzt werden?Wir unterstützen derzeit 5 Hauptmaschinenarten: Die Synchronmaschine mit PC-BDC, die Asynchronmaschine mit PC-IMD, die geschaltete Reluktanzmaschine mit PC-SRD, die per-manenterregte Gleichstrommaschine mit PC-DCM und die sogenannte Universalmaschine mit PC-WFC.Wir werden weitere Maschinenprogramme haben, diese befinden sich derzeit in der Entwick-lung, wie zum Beispiel die permanenterregten Axialflussmaschinen und Linearmotoren.


Grafische und numerische Datenausgabe in SPEED PC-BDC.

Sie sprachen von vielen Kunden, heißt das, es gibt auch Industriekunden nicht nur uni-versitäre Kunden?Speed ist seit ca. 30 Jahren am Markt, es gibt daher bereits weltweit über 1000 Firmen, die dieses Programm einsetzen.

Wenn man Speed einsetzt, wie geht man dann dabei vor? Wie fängt man an, es wird ja in 2D gearbeitet?Wenn wir eine Maschine in Speed neu aufsetzen, dann bedienen wir uns sogenannter Templa-tes, auf deutsch Vorlagen, die es für alle, vorher genannten Programme gibt. Diese sind noch-mals unterteilt in die verschiedenen Ausprägungen. So gibt es allein über 40 unterschiedliche Rotortypen im Bereich der Synchronmaschine mit über 15 unterschiedlichen Statornutschnitten. Im Bereich der Asynchronmaschinen gibt es über 20 Rotortypen, plus zusätzlich der Typen mit


Schleifringläufern. Auf der Statornutseite- ähnlich wie bei den Synchronmaschinen- über 15 unterschiedliche Nuttypen. Die Vorlagen/Templates sind notwendig, damit zur ausgewählten Geometrie, die zugehörigen analytischen Gleichungen oder Faktoren, ebenfalls passend, gesetzt sind.

PC-FEA: GDF-editor, Vernetzung und farbliche Darstellung der Flußdichteverteilung und Feldlinien.

Das bedeutet, dass man aus den im System hinterlegten Templates den passenden Fall auswählt?So ist es. Nach der Auswahl hat man einen bestimmten Grundtyp vorliegen, der gegebenenfalls noch nach Untergruppen differenziert wird, damit sind wirklich auch Feinabstimmungen möglich. Darüber hinaus gibt man alle nötigen beschreibenden Daten ein, wie zum Beispiel geometri-sche Parameter, die Daten der Wicklung über einen, speziell in den Programmen verfügbaren, Wicklungseditor und die Betriebsdaten wie zum Beispiel Spannung, Drehzahl, Drehmoment über den sogenannten allgemeinen Template-Editor.

Ich möchte auch darauf hinweisen, dass Speed nicht nur allein die elektrischen Maschinen am starren Netz berechnet, sondern auch die Maschinen speisenden Umrichter mit berücksichtigen kann. Auch hierfür werden Parameter zur Spezifikation in der entsprechenden Eingabemaske bereitgestellt.

Wir haben noch keine Materialien erwähnt. Wie geht man da vor?Die Materialien sind in einer Materialdatenbank gespeichert, die kundenspezifisch ergänzt werden kann und auch sollte. Wir sind der Meinung, dass Kunden ihre Daten selbst einpflegen sollten, um so sicher zu gehen, dass das, was sie hinterlegt haben auch dem entspricht, was sie nachher in der realen Welt verbauen.

Bei Werkstoffen tut sich ja viel…...ja, und man sollte sich als Entwickler auch bewusst sein, mit welchen Werkstoffen man es


genau zu tun hat und nicht nur irgendwie ‚ungefähr passendes‘ Material auswählen. Der Kon-strukteur muss darauf bestehen, die genauen Kennwerte vom Materiallieferanten zu erhalten. Ansonsten besteht einfach die Gefahr, dass ideale Simulationsmodell und die reale Maschine voneinander deutlich abweichen können.

SPEED ist über Skripte steuerbar

Wenn nun das alles erledigt und die Berechnung durchgeführt wurde, was erhält man vom System als Ergebnis?Speed gibt grafische und numerische Daten aus. Die numerischen Angaben beinhalten sämt-liche Ein- und Ausgabedaten – insgesamt über 400. Je nach Berechnungsart können ver-schiedene Grafiken ausgegeben werden. So ist es beispielsweise möglich, bestimmte Betrieb-spunkte zu berechnen oder auch komplette Drehzahl/Drehmoment Kennlinien auszugeben, entsprechend variieren die Grafiken. Mit dem in Speed integrierten FEM-Paket, PC-FEA, entstehen dann natürlich auch die grafi-schen Ausgaben, die man von FEM-Paketen gewöhnt ist, etwa die Flussdichte-Verteilung oder die Feldliniendarstellung im Querschnitt der Maschine als auch der Flußdichteverlauf im Lufts-palt in Betrag und Richtungswinkel oder Radial- und Tangentialkomponente.

Erfolgt die Berechnung der Erwärmungssituation dann danach mit Star-CCM+ oder findet das parallel statt?Eine vollständige Integration beider Pakete gibt es derzeit nicht, sodass die Wärmeberechnung grundsätzlich danach stattfindet. Dazu werden zwei Dateien aus Speed herausgeschrieben. Sie beinhalten die Geometrie und die Verlustdichteverteilung. Diese beiden Dateien werden an


Star-CCM+ übergeben. Hier entsteht ein 3D-Maschinenkörper und es wird auch die vollständige Wicklung automatisiert gebildet. Das gilt insbesondere für die Wickelköpfe. Wir haben danach die komplette elektrische Maschine als 3D-Modell in Star-CCM+ vorliegen.

Der Nutzer muss nun noch Informationen über die Kühlung hinzufügen, Wasser- oder Luftküh-lung. die Art der Kühlung hinzufügen, z.B. Wasserkühlmantel oder Luftkühlung mit zusätzlichen Kühlrippen am Gehäuse oder Kühlkanälen. Die hierfür nötigen als auch alle anderen relevanten Geometrien werden über einen CAD-Daten-Import realisiert. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Geometrien direkt über den in Star-CCM+ enthaltenen Modeler zu erzeugen.

Die Leistungsverlustdaten werden ebenfalls aus Speed als 2D-Daten nach Star-CCM+ übertra-gen und in einem Mapping-Verfahren auf das 3D-Netz zugewiesen. Danach werden noch die physikalischen Eigenschaften hinsichtlich der thermischen Übergänge beschrieben.

Wenn das alles erfolgt ist, wird die Berechnung angestoßen.

Die Ergebnisdarstellung zeigt dem Anwender die Temperaturverteilung in der gesamten Maschi-ne und erlaubt weitere Auswertungen über das Postprozessing von Star-CCM+.

Wie sieht es bei Speed mit CAD-Schnittstellen aus? Braucht man überhaupt eine oder arbeitet man nur mit diesen Templates? Die Idee hinter Speed ist, dass der Entwickler direkt mit Speed anfängt. Daher hat er am Anfang keine CAD-Zeichnungen. Speed ist das Auslegungstool für die Initialphase, wenn man so will. Man kann sehr schnell erkennen, wie sich die ersten Auslegungsannahmen in einer Maschine umsetzen. Passt es oder eben nicht? An dieser Stelle ist also kein CAD-Daten-Import nötig.

Was wir haben ist ein DXF-Import, um Zeichnungen im Querschnittseditor in den Hintergrund zu legen und in Speed nachzubilden (dxf-Overlay). Der Anwender sieht so deutlich, wie er seine Parameter wählen muss, um die dahinterliegende Zeichnung zu treffen. Auch der Export aus Speed heraus erfolgt über DXF.

Die meisten Anwenderfirmen haben ja als Hauptsystem ein Pro/Engineer, ein Catia oder NX etc. und müssen dann die Schnitte wieder zu einem 3D-Modell umwandeln.Genau, Anwender nehmen die DXF-Zeichnungen und generieren auf deren Basis ein 3D-Mo-dell.

Automatisch geht das in der Regel nicht?Da kann man heute schon einiges machen. Man kann über Skripte alle beschreibenden Daten an das 3D-Modell übergeben, ähnlich wie bei Konfigurationen, dann geht es auch automatisiert. Wenn ein Unternehmen dieses öfter benötigt, dann lohnt es sich auch, die Voraussetzungen für einen automatischen Ablauf zu schaffen.Speed kann – wie bereits weiter oben erwähnt - übrigens auch über Skripte gesteuert werden (Nutzung der AcitveX Technologie). Dann kann man auch hier, zum Beispiel über Visual Basic oder Matlab, direkt auf Speed zurückgreifen und einen automatischen Prozess aufsetzen.


Was bringt es am Ende? Welche Vorteile hat der Anwender durch den Einsatz von Speed?Wie schon dargelegt, liegt der Hauptnutzen von Speed in seiner Schnelligkeit. Dieses Werkzeug gibt dem Entwickler sehr schnell Aufschluss darüber ob die Anforderungen an die Maschine unter den gestellten Bedingungen erfüllt werden können oder nicht. Selbst in einem Gespräch beim Kunden ist es möglich, erste Entwürfe anzulegen und zu berechnen. Und man kann eine Aussage treffen, ob eine konkrete Kundenanfrage realisierbar ist oder nicht. Also Vorteile in der Entwicklung, wie auch im Vertrieb. Der Name ‚Speed‘ wurde nicht zufällig gewählt und genau diese Schnelligkeit ist auch die Mutter des Erfolges am Markt.

Dr. Markus Anders, Manager im Bereich Elektrische Maschinen, bei CD-adapco in Nürnberg.

Sie bieten sicher auch Ausbildung zu diesem Thema an?Grundsätzlich bieten wir Trainingseinheiten zu Speed und Star-CCM+ an; diese können allge-mein gehalten sein (mit mehreren Personen unterschiedliche Firmen in unseren Trainingsräu-men) oder kundenspezifisch. Wir bieten kundenspezifische Trainingseinheiten an, die in der Regel vor Ort beim Kunden durchgeführt werden. Dazu sind natürlich genaue Absprachen über Umfang und Inhalte nötig.


Service und Support?Selbstverständlich steht auch ein technischer Support bereit. Dazu gibt es das Speed-Portal, zu dem jeder Nutzer Zugang hat. Kunden können dort selbst recherchieren oder eine Anfrage an uns stellen, die von uns so schnell wie möglich beantwortet wird.

Darüber hinaus gibt es bei Speed noch eine Besonderheit: Das Programm wird auch über Part-ner vertrieben. Das war schon so, bevor das Produkt zu uns kam und wir haben das beibehal-ten. Diese Vertriebspartner bieten ebenfalls technischen Support und Training an.

Gibt es einen Schwerpunkt für 2014?In 2014 wird ein Hauptaugenmerk darauf liegen, Speed im Bereich der Synchrongeneratoren mit Felderregerwicklung stärker zu machen.

Herr Dr. Anders, vielen Dank für das Gespräch.

www.cd-adapco.com

Diesen Artikel finden Sie auch im CAD.de Newsletter 02 / 2014 >>

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Genaue Bauteilanalyse: „Ansys hat uns überzeugt“Die Komatsu Hanomag GmbH, Hannover, hat vor 2 Jahren das FEM-Berechnungssystem Ansys eingeführt, um die Konstruktionsteile ihrer Baumaschinen genauer analysieren und besser optimieren zu können, als bis dahin. Die bis heute gemachten Erfahrungen mit dem System, wie auch mit der Betreuung durch Cadfem sind durchaus positiv. Ein noch umfänglicherer Einsatz ist fest geplant.

Bei Baumaschinen ist es anders als beim privaten Pkw. Hier spielt „Liebe“ weniger eine Rolle, sondern es kommt mehr auf Robustheit, Zuverlässigkeit und Produktivität an. Dennoch sind Baumaschinen nicht nur mit der Grabe- und Ladefunktion ausgestattet, sondern sie sind auch Fahrzeuge. Das macht sie komplex. Dementsprechend müssen ihre Entwickler mit Gebilden umgehen, die oft mehr als 10.000 Teile umfassen und in der Summe, mechanisch, elektrisch und softwaretechnisch einwandfrei funktionieren müssen. Ohne eine erstklassige CAD/CAM/PLM-Ausstattung geht dabei schon lange nichts mehr. Umweltbewusstsein und Kostenbetrach-tungen sowie natürlich die Zuverlässigkeit aller Bauteile verlangen nun auch modernste Berech-nungsmethoden. So sehen es auch die Verantwortlichen bei Komatsu Hanomag in Hannover.

Näher am Kunden

Die Komatsu Hanomag GmbH, in Hannover immer noch als „die Hanomag“ bekannt, hat als Industrieunternehmen Wurzeln, die bis in das Jahr 1835 reichen. 1989 übernahm der japani-sche Baumaschinenhersteller Komatsu Anteile der Hanomag AG und seit 2002 ist die Komatsu Hanomag GmbH eine 100%ige Tochter des weltweit zweitgrößten Baumaschinenherstellers.

Komatsu operiert auf allen relevanten Märkten dieser Welt, nicht nur vertrieblich, sondern auch mit eigenen Entwicklungscentern und eigenen Produktionen. Das ist sicher auch die Motivation gewesen, in Hannover zu investieren und damit den Arm in der EU zu stärken - eben näher am Kunden zu sein, deren spezifische Herausforderungen zu verstehen und die in Produkte umzu-setzen. „Made in Germany bzw. Made in Europe ist zudem für viele Kunden immer noch ein mi-tentscheidendes Kaufkriterium“, wie Jörg Hermanns, stellvertretender Leiter des Europäischen Technologie Centers (EUTC) ergänzt.

Auf dem Hannoverschen Werksgelände, ca. 200.000 m2 groß, werden 3 wesentliche Maschi-nentypen produziert:

• 2 Baureihen von Radladern, bis hinauf zu 353 PS Eine Baureihe von 6 bis 50 Tonnen Einsatzgewicht wird komplett in Hannover gefertigt, die andere aus japanischen Baugruppen zusammenmontiert.

• Mobilbagger von 14 bis 22 Tonnen


Komatsu Hanomag baut in Hannover Radlader verschiedener Größen und Leistungen.

Um die Qualitäten vor Ort in der Hand zu haben und flexibel auf Anforderungen des Marktes reagieren zu können, betreibt das Unternehmen in Hannover auch eine eigene Fertigung.

Komatsu betreibt weltweit an verschiedenen Standorten so genannte Technologie Center. „Das Europäische Technologie Center ist ein Zusammenschluss aller in Europa angesiedelten Entwicklungsabteilungen mit dem organisatorischen Mittelpunkt in Hannover“, wie Hermanns erklärt.

Rund 45 Mitarbeiter entwickeln, testen und erproben hier die so genannten kleinen Radlader und Mobilbagger. Auch in der Serienbetreuung sind sie tätig.

Neben der Serie entstehen in Hannover auch kundenspezifische Produkte. Die Abteilung „Wor-king Gear“ ist in der Lage, einzelne Maschinen speziell auszustatten. Dazu gehören etwa spezi-elle Greifer oder stärkere Scheinwerfer (wenn der Anteil an Nachtarbeit besonders hoch ist) und vieles mehr.

Zurzeit verlassen das Werk in Hannover rund 1.400 Maschinen pro Jahr.

Die allgemeine CAD-Situation bei Komatsu ist auf der mechanischen Seite geprägt durch Pro/Engineer (im Augenblick noch in der Version Wildfire 4).

„Im EUTC haben wir rund 40 Arbeitsplätze mit dieser Software, welche in großer Breite und ent-lang des gesamten Prozesses genutzt wird“, legt Dirk Fahlbusch, CAD/EDV-Administrator bei


Komatsu Hanomag dar. Als PDM-System kommt PDM/Link von PTC zum Einsatz.

Mit Hilfe dieser Ausstattung schaffen die Ingenieure komplett auskonstruierte virtuelle Model-le, „bis hinunter zur Ventilfeder im Motor“, wie Fahlbusch sagt, „die wir als virtuelle Prototypen nutzen können.“

Auf der Elektroseite wird neben Pro/Diagram und Pro/Cabeling auch noch das 2D-Tool Stheno eingesetzt. Die Kabelbäume am Ende des Prozesses entstehen mit Pro/Cabling. „Hierdurch erhalten wir perfekte Unterlagen für den Subunternehmer, der sie dann baut“, so Fahlbusch.

Alle in Hannover entwickelten Maschinen - wie dieser Mobilbagger - werden ausführlich getestet, bevor sie in Serie gehen.

Was den Baumaschinenspezialisten bis vor 2 Jahren noch gefehlt hat, war ein leistungsfähiges FEM-Berechnungssystem.

Wenn schon, dann richtig

„Bis vor 2 Jahren haben wir FEM-Analysen etwas stiefmütterlich behandelt“, erklärt Jörg Her-manns. „Wir haben für die Berechnungen ein Tool von PTC, Pro/Mechanica, mitbenutzt, das eine erste konstruktionsnahe Abschätzung von Strukturen zulässt. Dafür nutzen wir es übrigens immer noch.“


Da Hermanns aber die Möglichkeit eines „echten“ FEM-Systems kannte, war er damit nicht län-ger zufrieden. „Wir haben dann überlegt, eine Stelle für einen Berechnungsingenieur zu schaf-fen und eine leistungsfähige FEM-Software einzuführen.“

Mit der Entscheidung dafür kam Alexander Spies als Berechner an Bord und es begann die Su-che nach einem geeigneten System. Nach einer näheren Betrachtung der in Frage kommenden Pakete fiel die Entscheidung für Ansys von der Ansys Inc., hier vertreten durch Cadfem.

Besonders überzeugt haben die Baumaschinen-Spezialisten der modulare Aufbau von Ansys, die Unterstützung einer strukturierten Vorgehensweise sowie die vielfältigen Anpassungsmög-lichkeiten am Berechnungsmodell hinsichtlich der eigenen Aufgaben. Ansys, als eines der großen Systeme am Markt, ist so umfangreich, dass zukünftige Einsatzfälle nicht „verbaut“ sind und bietet auch Sicherheit, was Weiterentwicklungen anbelangt. Letztendlich hat es auch eine Rolle gespielt, dass Alexander Spies schon positive Erfahrungen mit Ansys hatte.

Mit der Entscheidung für Ansys war auch Cadfem als Systempartner gesetzt. „Cadfem ist hier in Hannover vertreten und was uns während der Auswahlphase an Kompetenz und Service offe-riert wurde, hat uns ebenfalls überzeugt“, so Spies.

Das Bild zeigt das Oberdeck eines Baggers, als Berechnungsmodell in Ansys.

Durchgehende Nutzung

Nach einer gewissen Anlaufphase wird Ansys mittlerweile durchgehend eingesetzt für alle Bauteile, welche die Konstrukteure im EUTC entwerfen und dafür eine Optimierung wünschen. „Oder umgekehrt, wenn wir im Testbetrieb einen Bauteilschaden feststellen, dann machen wir eine FEM-Analyse und zeigen die Schwachstellen auf“ (Spies).


Dafür werden aus dem großen Ansys-Baukasten folgende Module eingesetzt:

* Strukturmechanische Packet* Optimierungstool - Designexplorer

Zum Einsatz kommt auch die Ansys-Workbench, mit der man durchaus zufrieden ist, wie in Hannover zu hören war.

Sehr interessant ist auch die Hardware-Situation am Ansys-Arbeitsplatz. Nachdem Alexander Spies zunächst an einer Konstruktions-Workstation gearbeitet hat, wurde inzwischen ordentlich aufgerüstet: Die große Menge der Jobs, die mittlerweile vorliegen, verlangen nach einer deutlich schnelleren Bearbeitung. Zu diesem Zweck wurde eine HP Z820 (bereits mit 16 Rechenkernen) angeschafft und noch durch eine Tesla-Karte (von Nvidia) verstärkt.

„Dieses Gespann schafft es nun, die Jobs in 7- bis 13-facher Geschwindigkeit zu berechnen, als meine alte Workstation“, wie Spies mitteilt. Eine äußerst spannende Konstellation, wie man sieht, die bislang erst von wenigen im Maschinenbau genutzt wird. Hier hat das EUTC die Nase vorn.

www.pbu-cad.de/testlizenz-solid-edge

https://www.pbu-cad.de/software/kostenloses-solid-edge-kennenlernpaket?utm_source=cad.de&utm_medium=eBook&utm_campaign=eBook%20SE%20Simulation

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Durch die hohe Rechenpower können auch umfangreiche FEM-Netze generiert werden, und zwar in 3D, es geht hier leicht hinauf bis auf mehrere Millionen Netzknoten.

Der Berechnungsablauf

Der Berechnungsablauf beginnt im Grund mit einem Formular, mit dessen Hilfe der Konstruk-teur seine Berechnungsaufgabe präzisiert. Gegebenenfalls wird auch eine persönliche Bespre-chung des Jobs vorgenommen.

Dann erfolgt die Übertragung des 3D-Modells an Ansys. „Dafür hat sich die Parasolid-Schnitt-stelle bewährt“, stellt Spies fest. Nun beginnt der Berechner seine Arbeit mit der Vereinfachung des Modells und der Vernetzung.

Nach dem Anbringen der Kräfte und Randbedingungen wird der Job an den Solver, die eigentli-che Berechnungseinheit abgeschickt. Ansys verfügt über mehrere Solver; der bestmögliche wird ausgesucht.

Ist der Berechnungsvorgang abgeschlossen, erfolgt das Postprozessing mit der Ergebnisdar-stellung: Spannungen, Verformungen, Biegespannungen usw. „Darstellung und Auswertung kann bequem über die Workbench gehandhabt werden“, so Spies.

Am Ende geht der Berechnungsingenieur die Ergebnisse mit dem Konstrukteur durch. Falls nö-tig, erfolgt eine Migration des Bauteils im CAD-System, die dann im Ansys nochmals kontrolliert wird.

Den Schlusspunkt setzt der Abschlussbericht.

Die Erfahrungen, die man entlang dieser Prozesskette mit Ansys gemacht hat, sind durchwegs positiv. Alexander Spies: „Die Benutzeroberfläche des Systems ist in großen Teilen selbsterklä-rend und einfach, da wo ich alleine nicht weiter komme, erhalte ich schnelle Hilfe von Cadfem. Mit der Genauigkeit sind wir sehr zufrieden. Und für die Geschwindigkeit haben wir mit der geschilderten Hardware selbst gesorgt.“

„Zum Thema Genauigkeit möchte ich auch noch etwas anmerken. Die Systemgenauigkeit ist deutlich höher als das, was wir an Eingabeparameter liefern können. Wenn eine unserer Ma-schinen im Sand gräbt und plötzlich auf einen Stein stößt, dann gibt es eine schlagartige Belas-tung der Struktur. Wie groß die aber ist, können wir nur abschätzen. Es gibt viele Situationen, bei der ein Bagger- oder Radladerfahrer die Kräfte, welche auf die Maschine wirken, viel mehr beeinflusst, als man vorausberechnen kann - also muss man dabei mit Annahmen arbeiten, die viel gröber sind, als die Berechnungsfehler des FEM-Systems“, stellt Jörg Hermanns klar.


Alexander Spies an seinem Arbeitsplatz im EUTC. Der Rechner, ein HP Z820, ist zusätzlich mit einer Tesla-Karte für schnelle Berechnungen ausgestattet.

Dennoch bemühen sich die Spezialisten in Hannover, auch diese Situation noch zu verbessern, indem man an Prototypen Messungen vornimmt und daraus Spannungen errechnet und diese dann wieder an den Geräten nachmisst. Das ist aufwendig, führt aber ganz klar zu einer Ver-besserung des virtuellen Modells und damit wiederum zu genaueren Berechnungen bei künfti-gen Aufgaben.


Die Gesprächspartner in Hannover (v.l.n.r.): Dirk Fahlbusch, Alexander Spies und Jörg Hermanns.

„Neben den derzeit durchgeführten Berechnungen im Bereich der Strukturmechanik planen wir langfristig auch Strömungssimulationen durchzuführen“, erklärt Jörg Hermanns. „Auch bei die-sem Schritt wissen wir, dass wir uns auf das Engagement und die vielfältigen Erfahrungen aus dem Hause Cadfem verlassen können.“

Ansys und CADFEMAnsys ist eine der führenden CAE- und Multiphysik-Software-Umgebungen, mit den Schwer-punkten Strömungssimulation (CFD) und Strukturmechanik. Durch den Kauf der Firma An-soft wurde das Spektrum um Produkte zur Simulation elektromechanischer sowie nieder- und hochfrequenter elektrischer und magnetischer Phänomene erweitert. Eine Workbench, die alle notwendigen Pakete für eine konstruktionsbegleitende Berechnung enthält, soll den Berechnern die Arbeit erleichtern.Cadfem, gegründet 1985, bietet für die numerische Simulation ein umfassendes Spektrum an führenden Software-Lösungen, inklusive aller nötigen Services wie Schulung, Support und Consulting.Seit der Gründung ist das Unternehmen ein enger Partner von Ansys in Mitteleuropa. Als Ansys Competence Center FEM vertreibt CAD-FEM die FEM-Software und erbringt alle notwendigen Dienstleistungen. Cadfem hat zurzeit ca. 130 Mitarbeiter.

www.komatsu-kohag.comwww.cadfem.de


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Hardware Alternative

Die Anforderungen an die Hardware sind bei Simulationsaufgaben in der Regel recht hoch. Vor allem viel Arbeitsspeicher und Prozessorleistung sind gefragt. Einige der Simulationsanwendungen unterstützen bereits die Beschleunigung durch GPU Karten wie z.B. NVIDIA Tesla Karten. Daher ist auch die Anzahl der ausrüstbaren Grafikkarten ein wich-tiges Kriterium bei der Auswahl der passenden Workstation. Bei den Prozessoren richtet sich die Wahl in den meisten Fällen nicht nur nach der Leistungsfähigkeit, sondern auch nach den Lizenz-modellen der einzelnen Softwarehersteller. Am Beispiel vom ANSYS: Pro HPC Pack werden bis zu 8 Prozessorkerne unterstützt. Die ideale Konfiguration wären daher zwei Prozessoren, mit je 4 Prozessorkernen und einem hohen Takt. Zu empfehlen ist hier der Intel Xeon E5-2637v3 mit 4x 3.50 GHz oder der Intel Xeon E5-2643 mit 6x 3.40 GHz.Die Workstation W60 von CADnetwork trägt gleich allen Kriterien Rechnung. Sie kann mit bis zu 512GB schnellem DDR4 Speicher ausgestattet werden und bietet daher genügend Spielraum für selbst größte Projekte. Zwei Intel Xeon Prozessoren mit insgesamt 8, 12, oder sogar 36 Prozes-sorkernen stehen zur Auswahl. Und für die GPU Beschleunigung unterstützt die W60 sogar als einziges Modell unter den Profi Maschinen bis zu vier Grafikkarten wie NVIDIA Tesla Karten. Wer denkt, dass so ein Schlachtschiff am Arbeitsplatz nichts zu suchen hat der irrt. Die Workstation ist selbst bei Vollausstattung mit 4 GPUs und 36 Kernen unter Volllast angenehm ruhig.Die Digital Production, Ausgabe 02/15, schreibt: „Besonders erfreulich ist, bei so viel Leistung und der damit verbundenen Abwärme, der quasi nicht vorhandene Geräuschpegel, der auch bei Voll-auslastung über einen längeren Zeitraum nicht ansteigt.“

Die Ausfallsicherheit und schnelle Reaktion im Servicefall ist auch sehr wichtig, da in der Regel die Zeit knapp bemessen ist. Auch hier kann CADnetwork punkten. Alle Systeme werden mit einem ausgeklügelten Burn-In-Verfahren auf Simulationstauglichkeit und Ausfallsicherheit geprüft. Und sollte doch mal ein Problem auftauchen sorgt die Garantie von bis zu 5 Jahren und Vor-Ort-Ser-vice am nächsten Werktag für schnelle Abhilfe.

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Dassault Systèmes übernimmt FE-Design: Optimierungstechnologie gefragtIm Frühjahr 2013 hat Dassault Systèmes den Hersteller von Optimierungssoftware, FE-Design, Karlsruhe übernommen. Das Systemhaus hat mit Tosca Structure und Tosca Fluid Optimizer für mechanische Strukturen wie auch geführte Strömungen zu bieten, wie auch die dahinter stehende Technologie. Die Produkte werden künftig in die Simu-lia-Welt integriert. Über Details sprach der CAD.de/Newsletter mit Dr. Florian Jurecka, Leiter FE-Design, München, & Marketing.

CAD.de/Newsletter: Vor kurzem fiel ein Lichtstrahl der Öffentlichkeit auf FE-Design, weil das Unternehmen von Dassault Systèmes übernommen wurde. Bevor wir nach dem ‚war-um‘ fragen, zunächst die Frage nach dem ‚wer‘. Wer ist FE-Design?Dr. Jurecka: FE-Design ist eine Ausgründung aus der Universität Karlsruhe, die vor rund 15 Jahren erfolgte und zwar durch Dr. Jürgen Sauter. Dr. Sauter hat die Ideen seiner Dissertation in Software umgesetzt und ab 1998 auf den Markt gebracht.

Welche Produkte bietet FE-Design an?FE-Design hat eine Produktfamilie,Tosca, welche in der Lage ist, mechanische Strukturen wie auch geführte Strömungen zu optimieren. Dementsprechend heißen die Einzelprodukte ‚Tosca Structure‘ und ‚Tosca Fluid‘.

Diese helfen dem Anwender entweder klassische mechanische Strukturen zu optimieren, zum Beispiel hinsichtlich optimaler Steifigkeit, geringstmöglichem Gewichts usw. oder sie helfen, ge-führte Strömungen in Rohren zu optimieren, um beispielsweise geringstmöglichen Druckabfall zu erreichen.

Beispiel für den Einsatz von Tosca, die Optimierung eines Gehäuses für ein Windkraftwerk.


Liefern Sie komplette Berechnungssysteme mit Pre-Prozessor, Solver und Post-Prozes-sor oder liefern Sie nur den Optimizer?Weder noch. Unsere Software ist so aufgebaut, dass wir über Schnittstellen mit industrieübli-chen FEM-Systemen wie Ansys, Nastran oder Abaqus zusammenarbeiten, entsprechendes auf der Fluid-Seite.

Wir haben also keine eigenen Solver, sondern nutzen die der FEM-Systeme. Was wir aber selbst haben, sind passende grafische Benutzeroberflächen.

Um es nochmals klarzustellen: Mit Hilfe von Tosca können mechanische Strukturen bzw. Strömungssysteme automatisch optimiert werden?So ist es. Unsere Software bindet sich sozusagen nahtlos in das Pre-Prozessing, welches bereits existiert, ein und optimiert automatisch die Konstruktionen nach gewünschten Kriterien. Dabei kann die Topologie eines Bauteils genauso optimiert werden wie seine Gestalt.

Tosca Fluid ist das bisher einzige am Markt verfügbare Softwaresystem, welches die Topolo-gieoptimierung von geführten Strömungen beherrscht. Mit nur einem einzigen CFD-Solver—Lauf kann eine optimierte Struktur ermittelt werden.

Wie viele Mitarbeiter sind Sie heute?Heute sind wir 50 Mitarbeiter, die in 5 Niederlassungen beschäftigt sind.

http://www.inneo.de/cadde-ad-simulation


Was hat jetzt Dassault Systèmes an FE-Design gereizt? Im Umfeld von Simulia gibt es doch auch schon Optimierungssoftware. Dassault Systèmes hat unsere Technologie gereizt. Auch die von Ihnen angesprochene Op-timierungssoftware basiert auf unserer Technologie. FE-Design arbeitet bereits schon seit 10 Jahren mit Dassault Systèmes zusammen. Der erste Schritt war eine Schnittstelle zu deren FEM-System. Dann gab es ein integriertes System, bei dem unsere Technologie innerhalb von Simulia läuft und nun hat Dassault Systèmes unser Potenzial erkannt und sich den direkten Zu-griff auf unsere Technologie gesichert. Das Ziel ist es, die Tosca-Technologie breiter einsetzen zu können, im gesamten Prozessablauf, wofür sich viele Möglichkeiten auftun.Wichtig ist mir an dieser Stelle zu betonen, dass die Offenheit von Tosca, hinsichtlich der Nut-zung mit verschiedenen FEM-Systemen erhalten bleiben soll.

Dr. Florian Jurecka, Leiter FE-Design, München, & Marketing.


Umgekehrt: Was hat denn den oder die Besitzer von FE-Design bewogen, ihr Unterneh-men zu verkaufen?Es sind die Perspektiven, die sich zusammen mit Dassault Systèmes ergeben, technisch wie vertrieblich. Die Tosca-Technologie wird zusammen mit Dassault Systèmes einem viel größeren Nutzerkreis zugänglich gemacht als bisher.

Designs können mit Tosca nach verschiedensten Kriterien optimiert werden.

Was wird von FE-Design übrig bleiben? Ist eine vollkommene Integration in die Organisa-tion von Dassault Systèmes geplant?Das kann von meiner Seite aus heute noch nicht abschließend beantwortet werden. Wenn es an einem Standort eine Niederlassung sowohl von uns als auch von Dassault Systèmes gibt, können diese sicher zusammengelegt werden. Die Gespräche dazu sind noch in einem sehr frühen Stadium, ich sehe auch nicht, dass hier Eile geboten wäre.

Wird der Vertrieb nun ausschließlich über Dassault Systèmes erfolgen?Nein. Wir haben unseren eigenen Vertrieb, der sicherlich breiter aufgestellt sein könnte. Es gibt weltweit mehr Bedarfsfälle, als wir mit unserem Vertrieb abdecken können, aber der Verkauf einer so speziellen Software ist auch nicht trivial, so dass das jedermann eben mal miterledi-gen könnte. Die Nutzung des sehr viel größeren Vertriebs von Dassault Systèmes wird daher in Schritten erfolgen.

Wie sieht es denn mit den Dienstleistungen rund im Ihr Produktportfolio aus?Wir bieten umfangreiche Dienstleistungen an – flexibel und kundenindividuell. Ganz am Anfang hat FE-Design nur die Technologie entwickelt und diese über die Organisation von MSC verkauft und MSC hat auch die dazu nötigen Dienstleistungen erbracht. Irgendwann fiel dann die Entscheidung, einen eigenen Vertrieb aufzubauen. Damit einher ging die Notwendigkeit der technischen Unterstützung. Somit wurde parallel zum Vertrieb eine eige-ne Dienstleistungsmannschaft aufgebaut. Heute haben wir eine schlagkräftige Mannschaft, die sowohl die technische Unterstützung in der Presales-Phase gibt, als auch den Support im lau-


fenden Betrieb. Darüber hinaus werden von uns komplette Optimierungsaufgaben als Dienst-leistung übernommen.

Wird das so bleiben?Davon gehe ich aus, denn bei Simulia wird sehr ähnlich gearbeitet. Überall auf der Welt gibt es Kompetenzzentren, die entsprechende Leistungen für Simulia erbringen, daher passen unsere Dienstleistungswelten sehr gut zusammen.

Weiteres Optimierungsbeispiel eines Fahrzeugteils.

Bis wann soll denn die technologische Integration vollzogen werden?Die Integration wird schrittweise erfolgen. Wichtig ist es, von beiden Seiten her, dass wir auch die Technologie selbst weiterentwickeln und uns nicht nur mit der Integration beschäftigen. Die Integration wird sich jedoch eine Weile hinziehen, Der genaue Fortgang wird in den nächsten Wochen geklärt.

Zukunftsaspekte?Eine spannende Sache wird es sein, von einem Expertentool zu einer konstruktionsnahen Lö-sung zu kommen, die den Konstrukteuren hilft, in einer frühen Phase ihrer Konstruktion bereits schon Optimierungen vornehmen zu können. Hier bringt es, aufs Ganze gesehen, am meisten.

Konstrukteure können mit Hilfe unserer Software leichter als heute überprüfen, ob es nicht grundsätzlich neue Möglichkeiten gibt als bisher, ob in einem bestimmten Bauraum nicht etwas ganz Neues entstehen kann, wie sich neue Materialien verhalten, und vieles mehr.

Im Bereich der Composites kann man ja Entwurf und Berechnung kaum noch trennen.Absolut, das sehen wir auch so. Die Berechnung und Optimierung schon in der frühen Konst-ruktionsphase bietet den Unternehmen eine große Chance, Effizienz zu gewinnen. Wir werden mit Dassault Systèmes daran arbeiten, mit unseren Produkten genau dahin zu kommen.

Herr Dr. Jurecka, vielen Dank für das Gespräch.


Tosca Arbeitsplatz ausgestattet mit 2 Bildschirmen.

Weitere Informationen zu Simulia:

SIMULIA-V6 Eine Produktfamilie leistungsstarker, realistischer Simulationstools für schnelle, präzise Leis-tungsprüfungen an Teilen, Komponenten, Produkten und Baugruppen in der V6-Umgebung. Das neue V6R2013x Release bietet Verbesserungen für DesignSight, ExSight und SIMULIA SLM und erweitert die Möglichkeiten der Simulation und des Datenmanagements für Konstruk-teure, Analysten und Experten.

SIMULIA-Abaqus Eine leistungsfähige, umfassende Lösung für die Durchführung virtueller Tests mithilfe rea-listischer Simulation. Sie trägt zur Beschleunigung der Produktentwicklung, Reduzierung von Kosten und Verbesserung der Zuverlässigkeit bei. Mit dem neuen Release Abaqus 6.12 stehen neue Funktionen und Erweiterungen für Multiphysics, Modellierung und Vernetzung zur Verfü-gung. Gleichzeitig wurden Performanceverbesserungen erzielt

www.fe-design.dewww.3ds.com


http://www.fe-design.de

http://www.3ds.com



Kohlefaserteile berechnen und optimieren: Mit Hyperworks gelingt es gutDie Auslegung von Kohlefaserteilen stellt besondere Anforderungen an Konstrukteure und Berechner. Spezielles Wissen, aber auch die richtigen Berechnungswerkzeuge sind nötig, um zu optimalen Lösungen zu kommen. Caterham Composites in Köln nutzt Hy-perworks von Altair Engineering, um Bauteile von Kunden zu berechnen und zu optimie-ren.

Auf dem diesjährigen Materialkongress, Material Innovativ, ausgerichtet von der Bayern Inno-vativ, spielten Bauteile auf der Basis von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen eine Hauptrolle. Vie-le Konstrukteure sind davon überzeugt, dass gerade dieser Composite-Werkstoff eine große Zukunft vor sich hat. Lassen sich mit seiner Hilfe doch Funktionen verbessern, bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung, etwa gegenüber metallischen Werkstoffen.

Umfangreiches Wissen über das Verhalten von Composite-Bauteilen, erlaubt es Caterham Composites u.a. im Rennsport erfolgreich zu sein.

Der Aufwand für eine sichere Konstruktion und Auslegung der Teile ist aber höher. Das hat zunächst zu ganz besonderen Einsatzgebieten geführt: in Rennautos, nicht nur in der Formel 1, in Rennbooten aber auch bereits in Flugzeugen. Mittlerweile verbreitert sich aber die mögliche Nutzung in den allgemeinen Fahrzeugbau, in die Windkraftnutzung und auch in den allgemei-nen Maschinenbau.Jetzt geht es darum, die Teile sicher zu konstruieren und zu berechnen. Wer das Know-how nicht im eigenen Haus hat, muss sich einen Partner suchen, wie zum Beispiel Caterham Com-posites in Hürth bei Köln.

Caterham Composites gehört seit 2011 zur Caterham Group, die eine Reihe weiterer Unterneh-men unter ihrem Dach vereint, darunter auch den Formel 1 Rennstall ‚Caterham F1‘ (vormals Lotus).

Das Composite Know-how der Kölner reicht zurück in die 90er Jahre, als die beiden Geschäfts-führer des Unternehmens, Duncan Bell und Philip Hall, bereits bei englischen Unternehmen, die sich damals schon mit der Auslegung von Composite-Bauteilen befasst haben, beschäftigt waren.


Formel 1 Rennautos bestehen in wesentlichen Teilen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen.

Bald danach kam der Einstieg in den Rennsport: Philip Hall bei Sauber und Duncan Bell bei Zakspeed.

Die nächste Station war dann das Toyota Formel 1 Team in Köln. „Ich habe dort bereits im Jahr 2000 begonnen und die ersten Prototypen mit entwickelt, Philip kam ab 2003 dazu“, erinnert sich Duncan Bell.

https://www.solidline.de/loesungen/simulation.html


In diesen Jahren bei Toyota war genügend Budget vorhanden, so dass viele reale Crash-Tests mit Composite-Teilen gemacht werden konnten. „Aus dieser Zeit stammt ein Großteil unseres Wissens und unserer Erfahrung, wie sich Composites verhalten“, so Bell weiter.Als es mit dem Toyota F1 Team abwärts ging, entschieden die beiden englischen Ingenieure, sich selbständig zu machen und ihr Wissen dem freien Markt anzubieten. Das war 2007 und das Unternehmen war zunächst eine Gesellschaft bürgerlichen Rechts (GbR).

Im Jahr 2009 kam ein großes Formel 1 Projekt herein, die Marke Lotus wurde neu belebt, und es war unumgänglich, das Unternehmen auf die Basis einer GmbH zu stellen. Diese GmbH wurde dann 2011 in die Caterham Gruppe integriert. Caterham Composites bedient mittlerweile weitere Märkte, wie etwa den Segelsport, die Luftfahrt und die Automobilindustrie.

Caterham Composites hat derzeit 12 Mitarbeiter und bietet seine Dienstleistungen weltweit an, der Schwerpunkt liegt aber deutlich in Europa. Der klare Unternehmensfokus ist das Erarbeiten von Kohlefaserteilen, „denn nur Kohlefaserteile rechtfertigen den hohen Ingenieuraufwand, wie wir ihn betreiben“, sagt Duncan Bell.

Hypermesh ermöglicht die Generierung von Simulationsmodellen aus CAD-Daten für fast alle gängigen FEM-Solver.

Bestmögliche Lösung gesucht

Im Bereich der Konstruktion setzt Caterham Composites auf Catia. Zum Zeitpunkt der Recher-che stand für die 10 Catia V5-Sitze und das verbindende PDM-System, Smarteam, die Ablö-sung durch Catia/Enovia V6 kurz bevor. Für eine fotorealistische Darstellung seiner Konstruktio-nen nutzt man ein Tool von Autodesk.

Für die Auslegung und Optimierung der Kohlefaserteile wird die Hyperworks-Suite von Altair Engineering eingesetzt.


Wie kam es dazu?

In den Anfangszeiten des Unternehmens, also ab 2007, setzte man zunächst auf Tools, die dem kleinen Budget des Konstruktionsteams angepasst waren. Dazu Duncan Bell: „Wir haben dabei aber immer schon den Blick auf eine, für uns, bestmögliche Lösung für uns gerichtet. Diese sa-hen wir dann in der Hyperworks-Suite von Altair gegeben. Vorführungen und Tests der Software haben uns bald überzeugt und wir haben die Einführung beschlossen.“

Daneben wurde mit Altair Product- Design, dem Dienstleistungsbereich von Altair, eine Partner-schaft vereinbart, die es vorsieht, den Austausch zwischen Design und Simulation zu verbes-sern. Unter anderem arbeiten in diesem Rahmen Altair Mitarbeiter bei Caterham Composites in der Berechnung direkt mit.

Bevor nun der Prozessablauf bei Caterham Composites und die Erfahrungen damit näher be-schrieben werden, zunächst ein Blick auf die Software selbst.

Benutzerfreundliche Composite Modellierung in Hypermesh. Shapes von Plys, deren Orientierung sowie deren Reihenfolge können graphisch dargestellt werden.

Umfassendes und offenes CAE-Paket

Aufbauend auf den Bereichen CAE getriebene Produktentwicklung, Performance Datenma-nagement und Prozessautomatisierung bietet Hyperworks eine unternehmensweite Simula-tionslösung, die schnelle Designstudien ermöglicht und damit Entscheidungsfindungen er-leichtert. Als das umfassendste, offene CAE Paket bietet Hyperworks branchenübergreifende führende Lösungen für Modellierung, Analyse, Visualisierung und Datenmanagement für lineare und nicht-lineare Fragestellungen sowie Strukturoptimierung, Fluid-Struktur-Kopplung und dyna-mische Mehrkörpersimulationen.

Hyperworks ist solverunabhängig und flexibel. Das Packet gliedert sich in verschiedene Unter-programme, aus denen sich die Suite zusammensetzt. Der Anwender kann sich aus der Hyper-works Suite bedarfsgerecht bedienen, solange ihm genügend Lizenz-Units zur Verfügung ste-


hen. Das besondere an Altairs Lizenzsystem ist, dass Programme mit demselben oder einem geringerem Unit-Bedarf beliebig parallel betrieben werden können, ohne dass der persönliche Lizenzbedarf steigt. Die bekanntesten in der Hyperworks enthaltenen Werkzeuge sind Hyper-mesh fuer das Preprozessing, Hyperview fuer das Postprozessing, sowie die eigenen Solver der RADIOSS-Familie und OptiStruct für die Strukturfindung und Optimierung.

Hypermesh erlaubt die Generierung von kompletten Simulationsmodellen aus CAD-Daten für fast alle gängigen Solver, neben den eigenen, zum Beispiel für Ansys, Abaqus, Nastran, Mold-flow, LS-Dyna, Fluent, Star CD, Open FOAM usw.

„Unser Unternehmen unterstützt den Sektor Composite Design schon seit vielen Jahren“, be-richtet Dr. Fabian Fürle, Project Engineer bei Altair Product Design, der unter anderem Cater-ham Composites betreut. „Aus der langjährigen Zusammenarbeit mit Kunden ist ein effizienter Prozess für die Auslegung und Strukturoptimierung von Composites entstanden“, so Dr. Fürle weiter.

Die Dicken der einzelnen Lagen können in Hypermesh schon während des Modellaufbaus in 3D darge-stellt oder über Contourplots illustriert werden.

Dieser Prozess garantiert einen lastgerechten Einsatz der Werkstoffe und nutzt sie so optimal aus. Er liefert Antworten auf folgende Fragen:

Welche Faserorientierung wird an welcher Stelle der Struktur benötigt?Wie viele Lagen einer Faserorientierung werden benötigt?Welche Stapelfolge der Einzellagen des Laminates ist optimal?Dabei werden von Anfang an Fertigungsrandbedingungen und Plybook Regeln berücksichtigt.

Die große Gestaltungsfreiheit von Composite Werkstoffen wird dank dieser Vorgehensweise schnell und kontrolliert in lastgerechte Designs umgesetzt. Durch die frühe Verfügbarkeit von


Aussagen über den optimalen Laminataufbau erhält man effiziente Strukturen und reduziert Entwicklungszeiten und –kosten.

Ein spezieller Prozess, der zum Ziel führt

Die von Caterham Composites am häufigsten genutzten Tools der Hyperworks-Suite sind: Hy-permesh, Hyperview und die Solver Radioss und Optistruct.

„Wir beginnen den Entwurfsprozess hier mit einer Free-Size-Optimierung, wobei geklärt wird, in welchen Teilen eines Bauteils welche Faserorientierung gebraucht wird“, erklärt Dr. Fürle. Da-nach wird das Bauteil in entsprechende Patches aufgeteilt.

Im zweiten Schritt wird eine optimale Anzahl von ‚Plys‘ für jeden in der Free-Size Phase gefun-denen Patch generiert, und in einem dritten Schritt wird die Reihenfolge der Schichten definiert.

„Während dieses Prozesses wird der Anwender von unserer Software komplett geführt“, bekräf-tigt Dr. Fürle.

Am Ende geht es um eine Optimierung nach Zielgrößen, wie Steifigkeit, Festigkeit oder Ge-wicht. Dr. Fürle: „Meistens optimieren wir hinsichtlich maximaler Steifigkeit bei festgelegtem Gewicht, sowie einer ausreichenden Sicherheit gegen Versagen.“Während dieser Optimierung werden alle Parameter so lange variiert, bis ein Optimum der Ziel-größe erreicht wird. Das ist so rechenintensiv, dass es nur eine Maschine tun kann.

Zum Einsatz kommen sowohl ‚normale‘ Windows-PCs vor Ort, als auch ein Altair Linux Cluster, welches über das Netz angesteuert wird, wenn es um größere Berechnungen geht.

Liegen die Ergebnisse vor, kann der Konstrukteur, darauf aufbauend, sein Teil ausmodellieren, so dass es hernach fertigbar ist.

Mit den Antwortzeiten des Berechnungssystems sind die Kohlefaserteilespezialisten eben-so zufrieden, wie mit seiner Bedienbarkeit: „Hyperworks ist einfacher zu bedienen als unser CAD-System“, so Duncan Bell. Und Dr. Fürle weiß aus eigener Erfahrung, „dass drei Tage Hy-perworks-Schulung ausreichen, um einen Großteil der Modelle schnell aufzubauen.“

Die Ergebnisse entsprechen den Erwartungen und Erfahrungen, die man in langen Jahren gemacht hat. „Es ist ein Zusammenspiel von Mensch und Rechnersystem, der Rechner allein kann es nicht“, erklärt Bell.

Damit man bei Caterham Composites schnell vorankommt, arbeitet Dr. Fürle als Engineering Dienstleister rund drei Tage in der Woche direkt dort mit. Damit erübrigt sich auch die Frage nach einer guten Zusammenarbeit, sie ist sehr direkt und kollegial.

So hebt man gemeinsam die Potenziale, die das Material zu bieten hat, die Effizienz und Nach-haltigkeit für den Kunden ist garantiert!


Die Gesprächsteilnehmer in Hürth, vor einem Caterham Formel 1 Rennauto (v.l.n.r.): Isa-Kristin Braun, im Unternehmen für Marketing&PR zuständig, Geschäftsführer, Duncan Bell und

Dr. Fabian Fürle von Altair Engineering.

Über AltairAltair Engineering unterstützt mit seinen Technologien für Analyse, Management und Visuali-sierung von Geschäfts- und Entwicklungsdaten seine Kunden bei Innovationen und Entschei-dungsfindungen. Altair ist ein privatgeführtes Unternehmen mit über 1500 Mitarbeitern und ist mit Niederlassungen in Nord- und Südamerika, Europa und im asiatisch/pazifischen Raum ver-treten. Mit mehr als 26 Jahren Erfahrung in der Entwicklung branchenführender CAE Software, Grid Computing Technologien und im Produktdesign liefert Altair seinen Kunden in zahlreichen Industriezweigen entscheidende Wettbewerbsvorteile.

www.caterhamcomposites.comwww.altair.de


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Automatisierung der Berechnung: Starker Hebel zur Effizienzsteigerung

Die Automatisierung der Berechnung kann sich in vielfacher Hinsicht lohnen. Schneller sein, ist nur ein Faktor. Die CADFEM GmbH in Grafing führt seit Jahren solche Automa-tisierungsprojekte gemeinsam mit ihren Kunden durch, um diesen auf verschiedenen Ebenen der Berechnung und Simulation deutliche Vorteile zu verschaffen, die wiederum deren Wettbewerbsfähigkeit steigern.

Immer schneller, immer effektiver und - falls möglich - auch noch besser ist ein Gebot des heutigen Wirtschaftens. Wer sich vor 20 oder 10 Jahren digitale Prototypen aufgebaut hat, um rechnerunterstützt zu simulieren, reale Prototypen einzusparen und Entwicklungszeiten zu ver-kürzen, konnte damit große Vorteile erringen. Heute geht es aber bereits darum, die Arbeit mit solchen Systemen zu automatisieren, wo immer möglich. Wieder winkt eine ganze Reihe von „Früchten“, die geerntet werden wollen. Im Grunde hört es niemals auf.

Mit ANSYS Composite PrePost ist ein Pro-dukt entstanden, das viele Automatismen für die Simulation von geschichteten Composites enthält, hier der Flügel einer Windkraftanlage.

Werkbilder: CADFEM


„Automatisieren kann man immer dann, wenn es gleiche Abläufe gibt. Die Wiederholbarkeit von Prozessen kann von Menschen auf die Maschine übertragen werden“, sagt Christof Gebhardt, Business Development Manager bei CADFEM.

Dazu einige Beispiele unterschiedlicher Art, die von CADFEM gemeinsam mit Kunden realisiert wurden: Für die Berechnung gasisolierter Schaltanlagen wurde eine Lösung realisiert, bei der Teilemodelle in einer Datenbank hinterlegt sind. Der Anwender baut sie dann jeweils zu einem Simulationsmodell zusammen. Somit müssen die Arbeiten für die Modelldefinition nicht mehr händisch erfolgen (Definition oder Materialeigenschaften, Vernetzung, Lasten und Lagerungen). „Diese baukastenähnliche Modellbildung bringt dem Kunden eine Zeiteinsparung von 90%!“ wie Gebhardt weiß (mehr dazu unter www.cadfem.de/siemens-gis).

Eine andere Art von Realisierung wurde gemeinsam mit einem Bremsenhersteller durchgeführt. Hierbei war die konstruktionsbegleitende Berechnung sehr vieler Bremsenformen (abhängig von den Wünschen der automobilen OEMs) ein Thema. Der Vielfalt der Bremsenformen stan-den immer gleiche Berechnungsprozesse gegenüber. „An der Stelle konnten wir mit unseren Automatisierungsmöglichkeiten ansetzen. Dazu wurden Assistentensysteme eingerichtet, die es dem Bearbeiter erlauben, ganz bestimmte Prozesse automatisiert abzuarbeiten“, so Thomas Schneider, Berechnungsingenieur bei CADFEM. Für unterschiedliche Aufgabenstellungen wur-den auch verschiedene Assistenten erstellt, so dass ein flexibler Einsatz gewährleistet ist (mehr dazu unter www.cadfem.de/trw-wizard).

Fertigungseinflüsse auf die Pro-dukteigenschaften, wie etwa bei Tiefziehen, lassen sich durch automatisierte Simulationen einfacher berücksichtigen.

Dass es unter Umständen sehr hilfreich sein kann, mit Hilfe der automatisierten Berechnung die Bauteilanalyse näher an die Konstrukteure heranzurücken, zeigt ein anderes Beispiel. Dadurch, dass die Konstrukteure, automatisiert, Berechnungen selbst durchführen können, steigt ihr Ver-


ständnis vom Bauteilverhalten. „Was passiert eigentlich mit meinem Bauteil unter Belastung genau?“ Das erfährt der Konstrukteur nun direkt und kann optimierend eingreifen oder gar ganz neue Lösungen finden.

Bei einem anderen CADFEM Kunden gelang es mit Hilfe der Simulation, Elektrolyseöfen über die Jahre so zu opti-mieren, dass sie 15% weniger Energie brauchen. Wer weiß wie hoch die Energieverbräuche in Aluminiumwerken sind, kann den Effekt schätzen (mehr dazu unter www.cadfem.de/hydro-alu-oefen).

Schon diese wenigen Beispiele zeigen, dass Automati-sierungslösungen sehr unterschiedlich ausfallen können. Dementsprechend müssen auch die Software-Werkzeuge sein, die zur Realisierung genutzt werden.

Werkzeuge für die Automatisierung

CADFEM, das wissen sicher viele Leser, arbeitet quasi von Anfang an mit ANSYS als FEM-System zur Lösung vielfäl-tiger Berechnungsaufgaben. Das Grafinger Unternehmen ist das ANSYS Competence Center FEM in Zentraleuropa. „Im ANSYS Umfeld gibt es nun eine Reihe von Möglich-keiten, um eine Automatisierung durchzuführen“, erläutert Schneider.

Dazu gehören:

• Makros, die es erlauben, sehr tief in das System ein-zugreifen, bis hin zum Solver, so dass Automatisierungen auch sehr detailliert erfolgen können.

• Assistenten-Systeme (Wizards) ermöglichen es, Pro-zesse vorzudefinieren und hernach automatisiert ablaufen zu lassen (Bild 3). „Dabei können sie so aufgebaut werden, dass sie dem Anwender dennoch eine gewisse Flexibilität erlauben.“ (Schneider)

• Der ANSYS Customization Toolkit ACT dient dazu, die Standardlösungen von ANSYS zu „tunen“. Die Erweiterun-gen, etwa neue Features im Features-Baum, sehen dabei so aus, wie die Standardfunktion von ANSYS auch. Der völlig gleiche Look and Feel erleichtert die Bedienung.

http://viewer.kisters.de


Welches oder welche dieser Tools zum Einsatz kommen, hängt ganz von der Aufgabe ab. Dem-entsprechend unterschiedlich sind auch die Aufwendungen. Ein einfaches Makro kann in 2 Ta-gen fertig sein. Für eine umfangreiche Automatisierung können 3 bis 4 Wochen ins Land gehen.

Wie läuft so ein Projekt ab?

Thomas Schneider nennt 6 Hauptstufen:

• Aufnahme der Aufgabenstellung beim Kunden und Erstellung eines Lasten-/Pflichtenhef-tes: Je genauer, je schärfer die Aufgabe schon durch die Kunden umrissen ist, desto einfa-cher ist die Umsetzung. Die verschiedenen Aufgabenstellungen werden dabei kategorisiert und Ablaufschemen identifiziert. Bereits diese Analyse der Prozesse zeigt Optimierungs-potential in bestehenden Abläufen.

• Umsetzung der Aufgabe in Software durch CADFEM: Die Umsetzung durch Experten in Simulation und Programmierung sichert eine praxisgerechte und schnelle Umsetzung.

• Präsentation von Zwischenergebnissen beim Kunden: Die frühe exemplarische Anwen-dung gewährleistet eine Realisierung nach den Vorstellungen der Anwender.

• Optimierung und Fertigstellung: Das Feintuning aufgrund der Anwenderrückmeldung ver-bessert den Praxisbezug und die Akzeptanz durch die Anwender.

• Dokumentation: Sie ermöglicht neuen Anwendern einen unkomplizierten und sicheren Einstieg in die Nutzung.

• Übergabe der fertigen Lösung und Schulung: Die Integration in die Infrastruktur des Kun-den berücksichtigt individuelle Konfigurationen und zusammen mit dem Training einen problemlosen Start in die Produktivphase.

„Wenn es nur um ein kleines Makro geht, wird dieser Prozess natürlich komprimiert. Für um-fangreiche Projekte ist der Ablauf aber so wie gerade geschildert.“(T. Schneider)Selbstredend gibt es auch Aufwendungen beim Anwender selbst, eben durch die Selektion und Definition der Aufgaben, durch Briefings, durch die Abnahme und Bewertung der Ergebnisse usw. Wie hoch diese Aufwendungen sind, hängt von dem jeweiligen Projekt ab und kann nicht allgemein beziffert werden. In vielen Fällen existieren bereits Prozessdefinitionen, die durch Automatisierungsprojekte neu überdacht, strukturiert und besser zugänglich werden.

Vielfältiger Nutzen

Neben der Zeitreduzierung, nicht zuletzt bei der Modellerstellung, entsteht durch die Automati-sierung der Berechnung eine Reihe weiterer Nutzen.

Dazu gehört die Entlastung der Berechner selbst. Dadurch werden sie effektiver und haben Spielräume, um ganz neue Dinge zu überlegen und so verstärkt innovative Entwicklungsaufga-ben anzugehen.Automatisierte Berechnungsprozesse sind einfacher zu bedienen als klassische FEM-Systeme allein. Daher ist es durchaus möglich, dass viele Berechnungsaufgaben nun auch direkt von Konstrukteuren durchgeführt werden können. „Das dient nicht nur einer schnellen Reaktion, sondern sorgt auch für ein besseres Verständnis der Bauteile“, wie Christof Gebhardt betont. Noch dazu, wenn Konstruktion und Berechnung enger zusammenrücken, steigt auch das ge-


genseitige Verstehen von Konstrukteuren und Berechnern - die Zusammenarbeit wird einfacher.

Eine Server-basierte Lösung zur automatisierten Berechnung von Druckbehältern.

Mit Hilfe automatisierter Prozesse ist es einfacher als ohne, unternehmensweite Berechnungs-standards zu setzen und einzuhalten, egal wer die Arbeit gerade macht.

Systeme, die automatisch richtig arbeiten, machen keine Fehler mehr, die Fehlerquote sinkt insgesamt!

Besonders interessant - nicht zuletzt im Automobil- und Flugzeugbau - ist die Integration von Regelwerken und die daraus folgende Zertifizierbarkeit.

Ein Vorteil für die Anwenderunternehmen ist es, wenn Expertenwissen in die Systeme einfließt. Es bleibt somit erhalten, selbst wenn die Experten das Unternehmen wechseln oder in Rente gehen.


„Durch die Automatisierung der Simulation können nun Dinge miteinander verknüpft werden, die sich früher aufgrund der hohen Aufwände nicht verknüpfen ließen“, wie C. Gebhardt darlegt, „ich denke dabei z. B. an das Einbeziehen von Fertigungseinflüssen auf die Produkteigenschaf-ten.“ Er verweist beispielhaft auf Fertigungseinflüsse beim Tiefziehen, beim Schweißen oder beim Spritzgießen. Das konnte man früher nicht berücksichtigen und ging daher einfach von der Geometrie der Werkstücke aus. Dies hat aber zu Unschärfen und somit zu teilweise unnötigen „Sicherheitsfaktoren“ geführt. Die Faserorientierung von gespritzen Kunststoffteilen, die Verän-derung der Materialstärke und Werkstoffverfestigung beim Tiefziehen, die Erwärmung und evtl. Gefügeumwandlung beim Schweißen uvm. können heute durch die Verknüpfung von Simulatio-nen „eingefangen“ werden. So kann z. B. in der ANSYS Berechnung berücksichtigt werden, was vorher in der Fertigungssimulation ermittelt wurde.

„Man muss heute an die Grenzen des Machbaren gehen, um z. B. noch leichtere oder noch energieeffiziente Teile zu fertigen und damit Wettbewerbsvorteile zu erzielen.“ (Gebhardt)

Wizard zur Nutzung der CMS-Methode (Component Mode Synthesis) für transiente dynamische Analysen.


Zur Hardware-Situation

Durch die Nutzung automatisierter Berechnungs- und Simulationssysteme steigt die Rechenlast für eine Workstation nicht so wesentlich, dass man sie nicht mehr nutzen könnte.

Wenn aber durch die Automatisierung eine Verbreiterung des Einsatzes einher geht, wenn nun mehrere Personen die Berechnungsmöglichkeiten systematisch nutzen, „dann führt es oft dazu, dass ein zentralisierter IT-Ansatz gewählt wird“, wie Gebhardt berichtet. Das Berechnungssys-tem wird auf einen zentralen Server verlagert, von wo aus mehrere Berechner-Arbeitsplätze bedient werden.

CADFEM selbst wird ab dem 2. Quartal 2014 eine simulationsspezifische Cloud anbieten, auf die von jedem Ort aus zugegriffen werden kann. Das ist nach Worten von Christof Gebhardt auch „für Leute interessant, die in Spitzenzeiten Kapazitäten von außen dazu buchen wollen, oder für jene, die vor einer Investition erst einmal einen Testbetrieb aufziehen möchten.“

Die Automatisierung der Berechnung und Simulation ist für viele Anwenderunternehmen sicher noch ein Zukunftsthema. Wie man aber sieht, stehen sichere Techniken und ausreichend er-fahrene Fachleute bereit, um die Realisierung durchzuführen. CADFEM kann in diesem Sinne durchaus eine Vorreiterrolle für sich verbuchen.

Christof Gebhardt, Business Development Manager bei CADFEM.

Thomas Schneider, Berechnungsingenieur bei CADFEM.


Über CADFEMCADFEM, gegründet 1985, bietet für die numerische Simulation ein umfassendes Spektrum an führenden Software-Lösungen, inklusive aller nötigen Services wie Schulung, Support und Consulting.Seit der Gründung ist das Unternehmen ein enger Partner von ANSYS in Mitteleuropa. Als AN-SYS Competence Center FEM vertreibt CADFEM die FEM-Software und erbringt alle notwen-digen Dienstleistungen, CADFEM hat zurzeit ca. 170 Mitarbeiter in Deutschland und ist weltweit an 12 Standorten vertreten.

www.cadfem.de





Optimierte Auslegung von Hochspannungskabeln: Weniger Kosten und mehr StromDie Stromtragfähigkeit von Hochspannungskabeln spielt eine gewichtige Rolle, nicht zuletzt bei der Energiewende. Bisherige Berechnungsformeln brachten nur ein nähe-rungsweises Ergebnis - Sicherheitsfaktoren waren notwendig. Genauer geht es mit einer neuen Berechnungsmethode auf der Basis des FEM-Systems, Comsol Multiphysics, wel-che die Wenger Engineering GmbH, Ulm, entwickelt hat. Über Details, wie auch über das Unternehmen selbst sprach der CAD.de/NL mit dem Firmengründer und Geschäftsführer Dr. David Wenger.

CAD.de/NL: Herr Dr. Wenger, Sie haben Ihr Unternehmen 2007 gegründet. Was hat Sie damals motiviert?

Dr. Wenger: Nach meiner Promotion, die zu der Zeit fertigt war, stellte sich die Frage, „Was ma-che ich jetzt“? Die Idee, eine eigene Firma haben zu wollen und selbständig zu sein, hatte ich schon länger. Nun konnte ich daran gehen, sie umzusetzen. In 2007 habe ich dann als Einzel-unternehmer angefangen.Aus meiner Doktorarbeit heraus hatte ich sehr gute Kontakte in die Industrie, die dann auch direkt zu ersten Aufträgen führten. Aus diesen Anfängen entwickelte sch „Wenger Engineering“ Schritt für Schritt. Heute haben wir rund 20 Mitarbeiter.

Die Stromtragfähigkeit von Hochspannungskabeln spielt eine gewichtige Rolle, nicht zuletzt bei der Energiewende.


Das ging schnell......ja, aber manchmal hätte ich es mir noch schneller gewünscht, was unter anderem daran scheiterte, dass es nicht so einfach ist, qualifiziertes Personal zu finden. Das bekleidet uns bis zum heutigen Tag. Also, wenn ich das hier sagen darf, wir suchen gute Leute. Davon abgese-hen, bin ich aber sehr zufrieden mit dem Erreichten.

Woher kam das Know-How?Ich habe an der ETH Zürich Umwelt und Verfahrenstechnik studiert und anschließend an der TU München in dem Fach Thermodynamik promoviert. Damit waren unsere Kernthemen quasi schon vorgegeben, Strömungssimulation und thermodynamische Simulation. Damit wurden die ersten Projekte bewältigt. Natürlich wurde das Know-How dann, Projekt für Projekt, vertieft und ausgebaut. Neue Projekte haben uns herausgefordert, aber eben auch Wissen und Erfahrung gebracht.

Dr. David Wenger, Gründer und Geschäftsführer der Wenger Engineering GmbH.

Bei diesen Schwerpunktthemen ist es dann auch geblieben?Die Schwerpunktthemen sind nach wie vor Thermodynamik- und CFD-Simulation. Darüber hinaus machen wir mittlerweile aber auch viele andere Themen, wie Geometrie- und Topolo-gieoptimierungen, die Entwicklung von mathematischen Methoden für bestimmte Probleme, wir schreiben viele Simulations-Codes und usw. Mit jedem neuen Mitarbeiter kamen auch neue Fähigkeiten ins Haus, die wir nun für unsere Aufgabenstellungen nutzen können.

Entwickeln Sie dann auch selbst Algorithmen?Ja. Das Entwickeln von Algorithmen und deren Umsetzung in Programme macht sicher 50 % unseres Geschäfts aus.


Wo sitzen Ihre Kunden, in Baden-Württemberg, in Deutschland oder auf der ganzen Welt?Wir sind international aufgestellt. Unsere Kunden sitzen von Kalifornien bis nach Japan. Ein gewisser Schwerpunkt ist na-türlich Deutschland.

Welche Branchenschwerpunkte gibt es?Schwerpunkte bilden die Automobilindustrie und deren Zuliefe-rer, der Anlagenbau und zwar sowohl der Chemieanlagenbau als auch der energietechnische Anlagenbau. Wir haben bei-spielsweise Projekte im Zusammenhang mit Ofshore-Wind-kraftanlagen gemacht oder auch beim Biogas-Anlagenbau. Wir haben gerade eine Anfrage, wo es um die Metallherstellung geht und es gab auch schon Projekte im Bereich der Analytik, wo es u. a. darum geht, die Proben sehr genau zu temperie-ren.

Verkaufen Sie auch Software, beispielsweise Comsol, oder bieten Sie ausschließlich Beratung und Berechnungs-dienstleistungen an?Wir sind kein Software-Händler, wir verkaufen somit keine Software von Dritten, auch nicht Comsol. Die Software, die wir aber selber schreiben für einzelne Kunden, die verkaufen wir auch.Davon abgesehen verkaufen wir Comsol Beratung und Schu-lung. Wenger Engineering ist der erfahrenste und auch zertifi-zierte Comsol Consultant.

Kommen wir nun zu unserem Schwerpunktthema, der Auslegung von Hochspannungsleitungen und -kabeln mit Hilfe der FE-Methode. Was hat man denn vorher gemacht?Die Auslegung von Kabeln ist in der Norm IEC 60287-3 be-schrieben. Es handelt sich dabei um ein semi-empirisches Aus-legungsverfahren zur Bestimmung der Maximaltemperaturen, welches natürlich mit Sicherheitsfaktoren arbeiten muss, weil man ja nicht weiß, ob die Formel auf den jeweiligen Fall genau zutrifft. Bei einfachen Kabeln, der berühmte sehr lange Zylinder aus Kupfer, wird eine gute Näherung erreicht. Dieser einfache Fall trifft aber immer seltener zu. Je komple-xer die Kabelstränge werden und auch die Einbausituationen, desto mehr weicht die „alte“ formelhafte Berechnung von der Physik ab.In Fällen, wo das Kabel nur einen kleinen Anteil an den Ge-samtkosten hat, spielt auch eine Überdimensionierung um 20 - 30 oder mehr Prozent nur eine untergeordnete Rolle. In anderen Fällen, z. B. bei einem Offshore-Windpark, ist das

http://demand.ptc.com/forms/FY13DEMathcadExpressOutbound?l9=de&utm_source=cad.de&utm_medium=referral&utm_campaign=MEM_Mathcad_Express&utm_content=MEM_Mathcad_Express-cad.de-referral-Mathcad_Express_Download-CER-500&cl1=MEM_Mathcad_Express-cad.de-referral-Mathcad_Express_Download-CER-500


Kabel ein sehr erheblicher Kostenfaktor. Wenn nun hier der Sicherheitsfaktor von 20 % auf 10 % gedrückt werden könnte, dann bringt das durchaus nennenswerte Einsparungen.

Das würde sich auch auf tausende Kilometer lange Überlandleitungen entsprechend aus-wirken?Davon sind wir überzeugt.

Welchen Ansatz haben Sie jetzt mit Comsol Multiphysics gewählt?Unser Ansatz ist relativ unspektakulär. Wir modellieren als erstes das Kabel mit allem was da drin ist und allen seinen Eigenschaften, sowie die Umgebung des Kabels in 3D. Dieses Objekt wird dann vernetzt, mit Hilfe von Finiten Elementen und danach berechnet das System, was wirklich im Kabel und um das Kabel herum stattfindet.

Welche Physikalischen Größen spielen dabei eine Rolle?Die multiphysikalische Simulation der Kabel berücksichtigt die elektrische Leistung, die Ver-lustleistung sowie die Wärmeübertragung innerhalb der Kabel und an die Umgebung. Dadurch kann u. a. das so genannte 2 K Kriterium, der Nachweis, dass das Kabel zu einer maximalen Temperaturerwärmung des Sedimentbodens von 2 Grad führt, überprüft werden.Natürlich fließen auch die Materialdaten mit ein. Insbesondere bei komplexen Kabelausführungen ist die multiphysikalische Simulation von großem Vorteil, da zwischen den einzelnen Kabelbestandteilen elektrische, elektromagnetische und thermische Wechselwirkungen stattfinden, welche vom genormten Standardberechnungs-modell nicht berücksichtigt werden können.

Die Mannschaft von Wenger in Ulm.


Wie sieht es mit dem Thema Dauerbelastung aus?Bei der Berechnung, wie sie bisher üblich war und ist, wird natürlich von einem stationären Zustand ausgegangen. Im Bereich der Erneuerbaren Energien ist es z. B. aber doch so, dass die Sonne nicht immer gleichmäßig intensiv scheint und der Wind nicht immer gleich bläst. Man hat also immer einen Lastgang, d. h. die Frage, die wir beantworten müssen, betrifft auch die Gleichzeitigkeit der Belastung. Wenn so ein Kabel nur eine bestimmte Zeit voll belastet ist und ansonsten nur Teillasten zu tragen hat oder gar nicht belastet ist, dann hat das Auswirkungen auf die Temperatur des Kabels. Somit kann ich es anders dimensionieren, als unter ständiger Volllast. Wenn wir das jetzt auf die bestehenden Überlandleitungen beziehen, könnten wir die womöglich stärker belasten als heute, wenn wir nur genau wüssten, was los ist. Im Winter z. B. wenn es draußen recht kalt ist, müssten doch höhere Ströme möglich sein, bei gleicher Leitungserwär-mung.Ich bin überzeugt, dass wir mit unserem Berechnungsansatz sehr viel zu diesen Aufgabenstel-lungen beitragen können.Geht diese Art von Stromtragfähigkeitsberechnung nur mit Comsol Multiphysics?Es gibt sicher auch andere Programme, die das können, aber in der Eleganz, in der Geschwin-digkeit, wie wir das mit Comsol Multiphysics umsetzen können, ist mir kein anderes Programm bekannt. Mit dem universellen Ansatz dieses Programms, der es mir erlaubt, die elektrotechni-schen Gleichungen, mit den Wärmeleitungsgleichungen, mit den mechanischen Gleichungen, mit Strömungen drumherum gemeinsam abbilden kann, dass ich zusätzlich die Regelungstech-nik in Form von Randbedingungen an das Differenzialgleichungssystem anhängen kann, das lässt sich mit Comsol Multiphysics sehr einfach umsetzen. Damit haben wir wirklich sehr gute Erfahrungen gemacht.

Und auch hier nochmals die Frage, kann man diese Software, das Berechnungsmodell, bei Ihnen kaufen oder bieten Sie es ausschließlich als Engineering-Dienstleistung an?Bislang ist die Fragestellung des Kaufs noch nicht aufgetreten, wir haben es bisher nur als Dienstleistung angeboten, aber wenn es jemand kaufen wollte, würden wir sicher darüber spre-chen. Der Hintergrund ist der, dass wir eine sehr hohe Innovationsgeschwindigkeit haben. Das ist der Kern unseres Erfolgs. Wenn also jemand dieses Paket kauft und damit womöglich selbst Dienstleistungen anbietet, dann sind wir in der Zwischenzeit schon wieder „eine ganze Ecke“ weiter und können neue Dinge anbieten, die andere eben nicht haben. Insofern haben wir kei-nerlei Ängste unser Know-How auch herauszugeben.

Nochmals zur möglichen Nutzung, wem dient es hauptsächlich?Neben der sich abzeichnenden Möglichkeit, mit bestehenden Leitungen womöglich höhere Strö-me übertragen zu können, richtet sich unser Ansatz stark darauf, Leitungsgewicht zu sparen. Gewicht gleich Kosten, ist eine Formel, die vor allem dort starke Beachtung findet, wo sehr gro-ße Leitungsgewichte eine Rolle spielen. Wenn ich mir die Leitungen von Windparks anschaue, die Durchmesser wie Baumstämme haben, dann komme ich dort schnell an den zweistelligen Millionenbereich, nur für Rohstoffkosten, nur für das Kupfer. Wenn ich da 10 - 20 Prozent an Kosten einsparen kann, dann ist das viel Geld, sprich ich spare sehr schnell Millionen an Euros ein. Im Automobilbau, gerade im Elektroautomobilbau, ist es ein großes Thema, weil man hier nach jeder Gelegenheit sucht, Gewicht zu sparen und somit Sprit, bzw. Strom. Aber ein oder


Moderne Hochleistungskabel, haben nichts mehr mit dem „gemeinen“ Kabel für die Esstischlampe zu tun, sondern sind komplexe Gebilde, für deren

Auslegung entsprechende Berechnungsmethoden gehören.

zwei Kilo Gewichtseinsparung mal einer Million Autos, das ist dann auch wieder eine nennens-werte Rohstoffeinsparung, damit auch Kosteneinsparung. Und alle großen Automobilhersteller bauen ein Mehrfaches davon an Autos pro Jahr. Hier steht also noch ein großes Einsparpotenti-al zur Verfügung.

Herr Dr. Wenger, vielen Dank für das Gespräch.


Neue Berechnungsmethode für die Stromtragfähigkeit, auf der Basis des FEM-Systems, Comsol Multiphysics, welche die Wenger Engineering GmbH, Ulm, entwickelt hat.

Über Comsol MultiphysicsComsol Multiphysics ist eine Software-Entwicklungsumgebung für die Modellierung und Simu-lation physikalisch-basierter Systeme. Ihre besondere Stärke ist ihre Eigenschaft, gekoppelte Phänomene zu berechnen. Optional verfügbare Module bieten anwendungsspezifische Tools für Akustik, Batterie- und Brennstoffzellensysteme, chemische Verfahrenstechnik, Geowissen-schaften, Elektromagnetik, Strömungsdynamik, Wärmetransport, Mikrosystemtechnik Plasma und Strukturmechanik.

www.wenger-engineering.de


http://www.wenger-engineering.de



Comsol Multiphysics: Spezialmodul für die Berechnung von MikrofluidiksMikrosysteme sind eine der Säulen mit starkem Innovationspotenzial für viele Produkte. Eine „Unterabteilung“ davon sind Mikrofluidiks. Um sie künftig noch besser gestalten und optimieren zu können, hat Comsol ein spezielles Zusatzmodul für sein FEM-System, Comsol Multiphysics, entwickelt. Über Details dazu sprach der CAD.de/Newsletter mit Dr. Bernhard Fluche, Geschäftsführer der Comsol Multiphysics GmbH in Göttingen.

CAD.de/NL: Herr Dr. Fluche, für wen beziehungsweise für welche Branchen ist das neue Mikrofluidiks-Modul gedacht?Dr. Bernhard Fluche: Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig: Sie kommen bei Düsen vor, wie man sie beispielsweise von Inkjet-Druckern her kennt, bei Flüssigkeitslinsen oder bei sogenannten „Labs on a chip“. Microfluidics werden auch im Bereich der Brennstoffzellen ge-braucht, bei elektroosmotischen Mikropumpen, bei Mikromischern, bei Biosensoren und bei vielem mehr. Die Simulation mikrofluider Komponenten erfordert häufig die Berücksichtigung mehrerer physikalischer Effekte und genau darin sind wir mit unserer Software stark.

Dr. Bernhard Fluche, Geschäftsführer der Comsol Multiphysics GmbH.


Wie kommt das entsprechende Wissen an die Anwender?Wir sind sehr aktiv mit unseren Workshops und zwar bundesweit. In diesen kostenfreien Work-shops findet ein sehr intensiver Informationsaustausch statt. Außerdem geben wir hier den Teilnehmern die Möglichkeit, die Software selbst auszuprobieren und intensiv zu testen.

Wenn wir jetzt systematisch vorgehen, entlang der Prozesskette, dann findet die Model-lierung der Mikrosysteme wohl doch in den verschiedenen bekannten CAD-Systemen statt?So ist es. Die reine 3D-Geometrie wird auch in diesem Anwendungsgebiet im CAD-System mo-delliert. Dann erfolgt die Übertragung zu Comsol Multiphysics. Dazu bieten wir eine Reihe von Schnittstellen an und zwar Standardschnittstellen, zunehmend aber auch spezielle bidirektiona-le Schnittstellen zu einzelnen CAD-Systemen, bei uns „Livelinks“ genannt. Im Zusammenhang mit Solidworks ist die Kopplung besonders eng. Da kann der Anwender die CAE-Module unse-res Systems direkt aus Solidworks heraus aufrufen und braucht die gewohnte Arbeitsumgebung gar nicht zu verlassen.

Welche Schnittstellen haben Sie im Einzelnen?Wir unterstützen die Standardformate, wie SAT, STEP, IGES und Parasolid, sowie die originären Formate von Creo, Inventor, Solidworks, Spaceclaim, Autocad 3D und Catia V5. Komfortabler noch sind eben diese Livelinks, die zu Solidworks, Pro/E, Inventor, Autocad 3D, Spaceclaim und Creo bestehen.

Folgen wir dem Prozess weiter, dann kommt nach dem Geometrieinput das Pre-Proces-sing. Welche Möglichkeiten bestehen nun für die Mikrofluidiks?Es gibt verschiedene Punkte, die der Anwender durchlaufen muss. Dazu gehört die Festlegung der Physik. Rechnergestützt kann der Anwender seine physikalischen Bedingungen auswählen, beispielsweise eine Zweiphasenströmung. Dann wird der Analysetyp festgelegt, ob zum Bei-spiel stationär oder transient gelöst werden soll.

Weiter wichtig ist die Wahl der Materialparameter. Hier kann der Anwender auf eine vorhandene Material-Bibliothek zurückgreifen, die natürlich auch um spezifische Stoffe erweiterbar ist. Der Anwender legt damit die Eigenschaften seiner Stoffe fest, beispielsweise elektrochemische, elektromagnetische oder mechanische Eigenschaften.

An dieser Stelle „denkt“ unser System mittlerweile mit: Vergisst der Anwender eine notwendige Festlegung, erscheint eine Stoppzeichen am Bildschirm. So wird dafür gesorgt, dass wirklich alle notwendigen Eingaben auch getätigt werden.

Nun hat man die Materialeigenschaften definiert und dann…… müssen dem Modell noch die physikalischen Eigenschaften zugewiesen werden, also bei-spielweise Randbedingungen oder Gebietsbedingungen. So muss zum Beispiel festgelegt wer-den, wo sich Einlass und Auslass und wo sich reibungsbehaftete Wände für das Fluid befinden, welche viskosen Kräfte in einem bestimmten Gebiet wirken etc. Auch dazu gibt das Programm verschiedene Vorgaben, die jeweils selektiert werden können. Eines möchte ich an dieser Stelle noch erwähnen: Alle vordefinierten Auswahlmöglichkeiten


findet man durch Betätigung der rechten Maustaste. Das erleichtert die Arbeit, auch bei komple-xen Aufgaben.

Der nächste größere Schritt ist dann die Vernetzung.Hierbei bietet unser Programm einige Möglichkeiten, so dass das Netz flexibel an die vorherr-schende Physik angepasst werden kann.

Simulation einer Flüssigkeitslinse mit variablem Fokus für eine Miniaturkamera. Das Bild zeigt die Situa-tion während einer Brennweitenveränderung.

Wir denken, dass gerade bei solchen Systemen die Randschichten besonders wichtig sind?Ja, deswegen bieten wir an der Stelle auch einen speziellen Randschichten-Vernetzer an, der den Anwender eine optimale Unterstützung gibt.

Also nicht nur kartesische Netze, wo alles in kleinste Würfelflächen unterteilt werden müsste?So ist es, wir bieten alle möglichen Elementtypen- für 3D sind es Tetraeder-, Hexaeder- und Prismen Elemente- an, um eine vorherrschende Geometrie bestmöglich abbilden zu können. Natürlich sind adaptive Netzverfeinerungen möglich, an den Stellen, wo im Modell wirklich etwas passiert. Ich möchte ferner darauf hinweisen, dass es mit Comsol Multiphysics möglich ist, in einer Baugruppe unterschiedliche unabhängig voneinander zu vernetzen – wiederum ein Stück Flexibilität für den Anwender. Zudem können wir nun mit unserer neuesten Version, Comsol Multiphysics 4.2, auch die gewünschten Koordinaten einstellen, zum Beispiel zylin-drische Koordinaten, statt kartesischer Koordinaten, so dass die Eingabe, beispielsweise von Materialparametern, erleichtert wird.

Dann kommt das Solving, der eigentliche Berechnungsvorgang?Auch dabei bieten wir dem Anwender Komfort und Flexibilität. Wir haben dafür jeden Solver für jede Applikation bereits voreingestellt. Das bedeutet, im Idealfall braucht der Berechnungsin-


genieur an dieser Stelle nichts weiter zu tun, als die Berechnung zu starten. Wenn er also ein microfluidisches System zu lösen hat, kommt automatisch der richtige Solver zum Einsatz. Also nochmals: Unser System bringt mehrere Solver mit, die problemorientiert eingesetzt werden und zwar ohne großen Aufwand.

Der Comsol Model Wizard ermöglicht den Anwendern des Microfluidics Moduls die Auswahl aus einer großen Bandbreite an Funktionen, um Strömungen und andere gekoppelte Phänomene zu beschreiben.

Welche Hardware wird unterstützt?Alles, von einem singulären PC bis hin zu Rechnerclustern. Dabei kann es sich um die Vernet-zung kompletter Einzelrechner handeln oder auch um die Nutzung von mehreren CPU-Boards in einem Gehäuse. Die Software ist entsprechend parallelisiert.

Unterstützen Sie auch die Tesla-Boards von Nvidia? Oder, anders gefragt, ist Ihre Soft-ware Cuda-fähig?Nein, das ist sie noch nicht.

Wenn das System fertig gerechnet hat,……kommt die Ergebnisdarstellung, für die es auch wieder verschiedene Optionen gibt. Es kön-nen z.B. mehrere Plots in einer Darstellung kombiniert oder auch abgeleitete Größen berechnet werden.


Speziell hinweisen möchte ich auf ein neues Zusatzmodul im Postprozessing, das Particle Tra-cing Modul. Es erlaubt unter anderem in den berechneten Strömungsfeldern Partikeltrajektorien genau darzustellen.

Also optimal geeignet für Microfluids?Ja, gerade für Strömungsdarstellungen jeglicher Art ist dieses Modul bestens geeignet.

Gibt es denn schon erste Anwender für den Mikrofluidiks-Modul?Ich kann beispielsweise das IMM, das Institut für Mikrotechnik in Mainz nennen, darüber hinaus haben es zahlreiche Forschungseinrichtungen, Hochschulen und Unternehmen im Einsatz.

Herr Dr. Fluche, gestatten Sie uns am Ende des Interviews noch zwei Fragen zum Unter-nehmen selbst. Da wir jetzt, zum Zeitpunkt des Interviews gerade erst Februar haben, wie ist denn das letzte Geschäftsjahr gelaufen?Das letzte Geschäftsjahr ist sehr gut gelaufen. Wir hatten ein Wachstum von 44 Prozent – mit Abstand das beste Wachstum aller Comsol-Büros weltweit.

Das hat natürlich Folgen für das Unternehmen. Zum einen ist die Zahl der Mitarbeiter gestie-gen auf jetzt 24 in Deutschland, zum anderen gibt es ab April 2012 eine zweite Niederlassung und zwar in Berlin. Berlin deshalb, weil unsere Hauptstadt auch gleichzeitig die größte Wissen-schaftsstadt Deutschlands ist und weil von dort aus auch ein recht interessantes Umfeld bear-beitet werden kann.

http://www.pny.eu/tesla


Elektrisches Potenzial (links), Strömungslinien und Konzentrationsprofil (rechts) eines elektroosmoti-schen Mischers während des Betriebs.

Wird Berlin auch die neue Zentrale?Nein, die Zentrale bleibt in Göttingen. Berlin ist unsere erste Zweigniederlassung. Im nächsten Jahr werden wir übrigens auch Göttingen erweitern. Wir haben 2013 die Möglichkeit, in ein komplett neues Gebäude umzuziehen und werden dort eine ganze Etage mit 700qm belegen. Dann können wir uns personell noch weiter verstärken. Die bisherigen Räumlichkeiten werden wir zudem noch für Trainings und Workshops behalten.

Wo wird in diesem Jahr die User-Konferenz stattfinden?In diesem Jahr wird die User-Konferenz wieder in Mailand sein, wie schon 2009.

Herr Dr. Fluche, vielen Dank für das Gespräch.

Highlights des Microfluidics Moduls

• Modellierung einphasiger und mehrphasiger Strömungen sowie Strömungen in porösen Me-dien mit darauf zugeschnittenen Eingabemasken.

• Mehrphasenströmungen können mit Level Set, Phase Field und beweglichen Netzen model-liert werden.

• Verbindung grundlegender mikrofluider Effekte, wie z. B. Elektrophorese, Magnetophorese, Dielektrophorese, Elektroosmose und Electrowetting.

• Modellierung der chemischen Diffusion bei multiplen verdünnten Spezies. Diffusion und Re-aktion in einer Phase einer zweiphasigen Strömung mit dem beweglichen Netzinterface der Zweiphasenströmung

• Lösen von stationären, stark verdünnten Gasströmungen wie z. B. Strömungen in Vaku-umsystemen unter Verwendung des Anwendungsmodus für molekulare Strömungen.

www.comsol.de


http://www.comsol.de



Bionische Inspiration für Konstrukteure: solidThinking Inspire wurde von Daimler firmenweit zertifi-ziertAltair gab kürzlich bekannt, dass die Daimler AG solidThinking Inspire offiziell zertifiziert hat. Damit steht das Werkzeug, über die Altair HyperWorks Computer Aided Engineering (CAE) Software Suite, allen Konstrukteuren des Automobilherstellers zur Verfügung.

Der Konstruktionsentwurf mit solidThinking Inspire ist ein Durchbruch in der digitalen Pro-duktentwicklung. Inspire ermöglicht es Konstrukteuren, Designern und Architekten schnell und einfach optimale Konzepte zu erzeugen. Die resultierenden Strukturen entsprechen bionischen Prinzipien, sie verdeutlichen Lastpfade und optimale Materialverteilungen.

Der Anwender gibt Inspire den für das Design zur Verfügung stehenden Bauraum in Form einer CAD-Datei vor oder generiert die Geometrie mit den vorhandenen Tools. Anschließend werden die auf den Bauraum wirkenden Lasten, Lagerungen und Fertigungsrestriktionen definiert. Mit der in der Industrie führenden Optimierungstechnologie Altair OptiStruct im Hintergrund findet das System für die gegebenen Lastfälle die optimale Materialverteilung.

Die Software erlaubt es einfach optimale geometrische Konzepte zu erzeugen. Die resultierenden Strukturen entsprechen bionischen Prinzipien, sie verdeutlichen Lastpfade und opti-

male Materialverteilungen. Alle hier verwendeten Abbildungen sind Demo-Beispiel von Altair und keine Bauteile von Daimler.

Inspire verfügt über eine moderne, anwenderfreundliche, leicht zu erlernende Benutzeroberflä-che, die es dem Anwender sehr leicht macht, die Lösung aufzusetzen und die Designvorschläge und Lastpfade zu visualisieren. Darüber hinaus können mit den integrierten und intuitiven Tools neue Geometrien erzeugt oder angepasst werden. Sketcher, Boolesche und Push/Pull Operati-onen sowie ein Assembly-Konfigurator sind vorhanden.


Optimales Materiallayout

Die Software ermöglicht es Ingenieuren und Konstrukteuren, schnell und einfach struktureffiziente Konzepte zu entwickeln und zu untersuchen. Bisher wurden Simulationswerkzeuge oft nur verwendet, um einen Designentwurf zu überprüfen und z.B. zu testen, ob eine Struktur den entsprechenden Lasten standhalten wird. Mit solidThinking Inspire wird dieser Prozess verbessert, da die Ingenieure nun in der Lage sind, direkt ein optimales Materiallayout basierend auf einem vorgegebenen Bauraum und vorgegebenen Lasten zu erstellen.

Von der Natur lernen

Die Automobilindustrie strebt nach leichteren, struktureffizien-ten Designs, um so die strengen Emissionsrichtlinien vieler Länder einzuhalten und gleichzeitig die Leistung ihrer Produk-te zu verbessern. Mit Werkzeugen wie solidThinking Inspire können diese Ziele schon von der ersten Konzeptdesignphase eines neuen Bauteils oder Systems umgesetzt und erreicht werden, da es einen simulationsgetriebenen Entwicklungsan-satz verfolgt. Außerdem hilft solidThinking Inspire den Kons-trukteuren dabei, von der Natur zu lernen, da es mittels Opti-mierung den materialeffizienten Beispielen folgt, die man auch in der Natur finden kann.

Durch die Zertifizierung des Werkzeugs können nun Konst-rukteure aller Abteilungen der Car- und der Truck-Entwicklung solidThinking Inspire in Ihren Projekten nutzen. Dank der Möglichkeit der bionischen Inspiration, die Inspire bereitstellt, erhält der Konstrukteur lastgerechte Strukturen, die sich insbe-sondere durch ihr geringes Gewicht auszeichnen. Dies gilt für Bauteile und Baugruppen sowie für übergreifende Systeme. Neben der Möglichkeit, Leichtbaukonzepte umzusetzen, kann der Konstrukteur mit Inspire auch gezielt Steifigkeiten in die gewünschten Strukturen einbringen. Dies ist z.B. hilfreich, um unerwünschte Schwingungen zu vermeiden, was wiederum den Komfortanforderungen der Fahrzeuge zuträglich ist.

https://www.pumacy.de/prozessmanagement/teilemanagement?utm_source=Ebook%20CAD.de&utm_medium=Werbeanzeige%20Ebook%20CAD.de&utm_campaign=Werbeanzeige


Studie für ein massives Gussteil-Ausgangspunkt für detailliertes Engineering.

Einsatz in der Konzeptphase

„Bisher war die solidThinking Inspire zugrundeliegende Optimierungstechnologie oft nur einem kleinen Kreis von Simulationsspezialisten zugänglich. Dank der Zertifizierung solidThinking Inspire kann die Technologie nun dort eingesetzt werden, wo sie ihren größten Nutzen entfalten kann - in der Konzeptphase eines neuen Entwicklungsprojektes“, sagt Dr. Pietro Cervellera, Geschäftsführer der Altair Engineering GmbH. „Wir freuen uns sehr über die Zertifizierung und auf die Rolloutphase, die wir mit großem Engagement begleiten werden.“

Sieht so die Bremsscheibe von morgen aus? Die Optimierung mit Inspire hat genau diese Form ergeben.



Über solidThinking, Inc. solidThinking entwickelt und vertreibt Technologien, die seine Kunden dabei unterstützt, noch bessere Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Die solidThinking Produkte werden über ein weltweites Partnernetzwerk vertrieben und unterstützt. Sie sind darüber hinaus in Altairs HyperWorks CAE Suite (www.altairhyperworks.com) enthalten. solidThinking ist ein 100 prozen-tiges Tochterunternehmen von Altair.

www.solidthinking.com.


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GPUs richtig nutzen: Schneller rechnen im EngineeringGPUs, wie sie auf Grafikkarten für die Erstellung grafischer Ausgaben eingesetzt wer-den, können mit ihren vielen Rechenkernen auch sehr vorteilhaft für die Berechnung und Simulation verschiedenster Phänomene genutzt werden. Unter dem Namen ‚Tesla‘ stellt Nvidia seit Jahren solche Boards her (vertrieben durch PNY), die einzeln oder in Clus-tern, Rechenaufgaben stark beschleunigen können. Einer der erfahrensten Anwender im Engineering- Bereich ist die Fluidyna GmbH, Garching, welche die GPU-Technologie im Umfeld von Strömungssimulationen (CFD) einsetzt.

Der Grafikprozessor (englisch: Graphic Processing Unit, GPU) dient üblicherweise zur Berech-nung der Bildschirmausgabe auf Computern, Spielkonsolen oder Smartphones. Beim GPU Computing wird der Grafikprozessor jedoch gemeinsam mit der CPU zur Beschleunigung von technischen aber auch kommerziellen Berechnungen eingesetzt.

Anwendungsbeispiel für die neue Bibliothek von Fluidyna, Strömungssimulation an einem kompletten PKW.

Im Jahr 2007 brachte Nvidia, einer der führenden Hersteller im diesem Umfeld, spezielle Boards unter dem Namen ‚Tesla‘ für solche Aufgabenstellungen an den Markt. „Grafikprozessor-be-schleunigte Berechnungen sorgen für eine unübertroffene Anwendungsleistung, indem re-chenintensive Teile der Anwendung auf den Grafikprozessor ausgelagert werden, während der übrige Code, wie immer, auf der CPU läuft“, so eine Aussage von Nvidia auf deren Website.


Warum funktioniert das?

Der Unterschied zwischen CPU und Grafikprozessor lässt sich am besten anhand der Art und Weise darlegen, wie Aufgaben jeweils verarbeite werden: Eine CPU besteht aus einigen we-nigen Recheneinheiten, die auf die serielle Verarbeitung aufeinanderfolgender Daten optimiert sind. In einem Grafikprozessor hingegen stecken tausende kleiner Rechenkerne, die dafür ent-wickelt wurden, mehrere Aufgaben gleichzeitig lösen zu können.

Nun zu Cuda: Cuda ist eine Nvidia-Architektur für parallele Berechnungen, welche die Re-chenleistung des Systems erheblich steigern kann. Die Anwendungssoftware, zum Beispiel für die Strömungssimulation, muss auf diese Architektur angepasst werden. „Das war am Anfang gar nicht so einfach, weil der Programmierer ‚in Grafik denken‘ musste, um seine Software auf Cuda umzustellen. Mittlerweile hat sich das geändert. Die Plattform umfasst einfache C und C++ Erweiterungen, um die Parallelität von Daten und Aufgaben auszudrücken. Ähnliches gilt für Fortran. Damit und mit der Bereitstellung professioneller Bibliotheken für Programmierer ist der Umstellungsaufwand deutlich geringer geworden“, erklärt Dr.-Ing. Björn Landmann, bei Flui-dyna zuständig für Computational Multiphysics.

Culises beschleunigt Openfoam-Anwendungen durch die Verwendung von GPUs für die recheninten-sivsten Aufgaben erheblich.

Seit der Vorstellung, 2007, wurde die Hardware enorm weiterentwickelt. Die leistungsfähigste Karte heute, Tesla K40, schafft eine Double-Precision-Performance von 1,43 Tera FLOPS (sie-he Kasten am Ende des Artikels).

Neben der schieren Rechenleistung spielt auch der Energieverbrauch eine Rolle, dieser wird ausgedrückt in Watt/FLOPS. „Natürlich können auch CPU-Systeme sehr hoch geclustert wer-den, dabei steigt aber der Energieverbrauch stark an. GPUs haben hier eine bessere Energiebi-lanz, was derzeit für sie als Zukunftstechnologie spricht“, erklärt Dr.Landmann weiter.

So viel in Kürze zur Einleitung. Jetzt zu den Möglichkeiten und Erfahrungen von Fluidyna als Anwender von Tesla-Boards.


Strömungsmechanik als Kernkompetenz

Fluidyna wurde 2006 als Spin-off des Lehrstuhls für Aerodynamik der Technischen Universität München gegründet. Gründer und auch heutiger Inhaber ist PD Dr.-Ing. habil. Thomas Indinger, der auch noch am genannten Lehrstuhl arbeitet, so dass eine enge Kopplung von Forschung und Praxis gegeben ist.

„Fluidyna hat derzeit 14 Mitarbeiter und ist nicht nur regional sondern bereits global tätig, mit Schwerpunkten in Europa und Asien“, so Dr. Indinger.

Culises ist als Standard-Softwarepaket auch für andere Lösungen, außerhalb von Openfoam nutzbar.

Das Unternehmen befasst sich mit der Modellierung, Weiterentwicklung und Anwendung von numerischen und experimentellen Methoden der Strömungssimulation und Thermodynamik. Fluidyna unterstützt Unternehmen von der Grundlagenforschung bis zur Serienreife von Pro-dukten. Dr. Indinger: „Wir arbeiten für Forschungsinstitute, öffentliche Auftraggeber und auch für die Industrie. Unsere Zielbranchen sind unter anderem die Automobilindustrie, die Luftfahrtin-dustrie, die pharmazeutische Industrie und deren Zulieferer“.

Das Aufgabenspektrum gliedert sich in drei Bereiche:• Hardwareerstellung und Vertrieb einzelner GPU-Karten, kompletter Workstations und Clus-

tersysteme.• Softwareentwicklung eigener Tools, wie ‚Ultrafluid x‘, eine GPU-basierte Lösung zur Strö-

mungssimulation oder ‚Culises‘, eine Cuda-Bibliothek zum Lösung von linearen Gleichungs-systemen auf GPUs.

• Klassisches CFD-Consulting: Bearbeitung strömungstechnischer Fragestellungen von Kun-den bis zur Berechnung und Ableitung von Handlungsempfehlungen. Für CFD-Berechnun-gen kommt das frei verfügbare Paket ‚Openfoam‘ zum Einsatz.

Schneller mit Culises

Das jüngste Softwarepaket von Fluidyna ist ‚Culises‘ Es handelt sich dabei um eine Bibliothek zur GPU-basierten Beschleunigung von Openfoam. „Culises ist ein hybrider Ansatz, der den


linearen Anteil der Lösung mit Hilfe der GPU-Power beschleunigt. Der Rest wird weiter auf der CPU bearbeitet“, wie Dipl.-Physiker Christoph Niedermeier, Software Sales & Project Manage-ment bei Fluidyna, klarstellt.

Weil das Paket GPUs als Rechenplattform nutzt, können parallele arithmetische Operationen sehr schnell ausgeführt werden. Das verkürzt einerseits die Rechenzeiten und andererseits können mehrere Simulationsprozesse parallel durchgeführt werden. Das spart Zeit und Geld.

Wie viel, hängt von der jeweiligen Aufgabe ab: Hat sie einen hohen linearen Anteil, mehr als 50%, können Beschleunigungsfaktoren >2 erreicht werden. „Aber, wie gesagt, wir beschleuni-gen nur den linearen Anteil. Für das Gesamtsystem macht das eine Beschleunigung der Re-chenzeit um ca. 50 Prozent aus“, so Christoph Niedermeier weiter.

„Dieser im Umfeld der GPU-Berechnung nicht allzu hohe Wert resultiert aus der Limitierung der Speicherzugriffszeiten, die typisch ist für Strömungsberechnungen. Bei anderen Applikationen kann es deutlich schneller gehen“, so Dr. Landmann.

Die Typhoon von Fluidyna ist mit einem Mainboard und acht GPUs Tesla K40 ausgerüstet.

Fluidyna hat sich mit Culises zunächst auf Openfoam konzentriert, „weil wir einen sehr guten Zugang zu dieser Software haben“, so Dr. Landmann, „unser Ansatz ist aber nicht auf Open-foam begrenzt, man könnte auch Systeme anderer Hersteller beschleunigen, ja sogar auch solche, außerhalb von CFD, wenn sie einen entsprechenden linearen Anteil haben.“

Daher ist es wichtig, dass nicht das eigentliche Anwendungspaket auf GPUs läuft, sondern die Verbindung über Culises geschaffen wird.


Bei dem aktuellen Release, Culises 1.1, ist es so, dass eine Beschleunigung nur auf einem Re-chenknoten vorgenommen werden kann. Das heißt, auf einem Mainboard mit mindestens einer Tesla-Karte (bis zu … sind möglich). Dr. Landmann: „Wir arbeiten daran, dass wir die Software auch effizient auf Systemen mit mehreren Rechenknoten laufen lassen können.“ Die Systemanforderungen sehen derzeit folgendermaßen aus:

• Culises 1.1• Linux-basiertes Betriebssystem• Openfoam ab Version 2.1.1• Cuda in der Version 4.0 oder höher• Tesla GPU mit ‚Compute Cabability‘ 2.0 oder höher

Fluidyna empfiehlt, Culises zusammen mit Tesla-Karten der Typen K20X oder besser noch K40 einzusetzen.

Das Garchinger Unternehmen bietet zwei Möglichkeiten der Testinstallation an. Christoph Nie-dermeier: „Wir haben hier bei uns die Möglichkeit geschaffen, dass interessierte Kunden ihre Aufgabenstellung testen können. Das ist unkompliziert. Wir vergeben Zeitfenster, welche die In-teressenten exklusiv nutzen können.“ Dabei ist es möglich, beide genannten Kartentypen, Tesla K 20X und K40 zu testen. Diese Tests sind kostenfrei.

Darüber hinaus wird eine 3-monatige Teststellung offeriert, die mit einer Quartalsjahreslizenz beglichen wird. Wer sich dann für eine Installation entscheidet, bekommt die Gebühr auf die Jahreslizenz angerechnet.

Typhoon – es wird noch schneller

Gerade, im Februar 2014, hat Fluidyna die neueste Workstation, ‚Typhoon‘ vorgestellt. Sie be-kam den Namen des tropischen Wirbelsturms, um auf ihre ‚brachiale‘ Rechenleistung aufmerk-sam zu machen. „Die Typhoon ist mit einem Mainboard und acht GPUs Tesla K40 ausgerüstet“, charakterisiert Dr. Indinger die neueste Entwicklung seines Hauses. Darüber hinaus hat die Maschine die neu-en Xenon E5 Ivy Bridge-Prozessoren und 128 GB DDR3-RAM Speicher mit einer Taktrate von 1866 MHz erhalten. Das Personal-Supercomputer-System verfügt mit den acht K40 Karten über 23040 GPU-Kerne und 96 GB GPU-Speicher.

„Mit dieser Ausstattung, die am deutschen Markt eine bisher einmalige Konfiguration darstellt, ist die Typhoon bis zu 250 mal schneller als ein Standard-PC“, wie Dr. Indinger hervorhebt. Und die Preise sind, gemessen an der Rechenleistung, klein: Eine Typhoon im Vollausbau liegt unter 30.000 Euro. Eine ähnliche Workstation mit zwei Tesla K20 x kostet sogar unter 10.000 Euro. So geben diese Maschinen auch dem Mittelstand die Chance, beim Hochleistungsrechnen einzusteigen. Das gilt umso mehr, als Fluidyna komplette Lösungen, zumindest im CFD-Umfeld anbieten kann: Software, Hardware und Support. Die Tür steht also offen, jetzt kommt es auf den Mut der Anwender an, sie auch zu durchschreiten…


Die Gesprächspartner in Garching (v.l.n.r.): Dr.-Ing. habil. Thomas Indinger, Dr.-Ing. Björn Landmann und Dipl.-Physiker Christoph Niedermeier.

Tesla K40

Der derzeit schnellste GPU-Beschleuniger der Welt ist die modernste Basis der beschriebenen Technologien. Die wichtigsten Kenndaten sind:

• 2880 CUDA Einheiten• Gesamtspeichergröße: 12 GB GDDR5• Speicherschnittstelle: 384-Bit• Speicherbandbreite: 288 GB/s• Maximale Leistungsaufnahme: 235 W• Anzahl der Steckplätze: 2

Mit der Markteinführung des Tesla K40 Grafikprozessors können mit ihrem 12 GB großen RAM große technische Modelle ausgeführt werden. Dies erlaubt im Vergleich zur Vorgängerkarte, K20X, die Verarbeitung doppelt so großer Datensätze wie bisher und liefert auch ein schnelle-res Handling beim Painten von großen Texturen.

Der Hersteller der Tesla-Karten ist Nvidia, der Vertrieb erfolgt über PNY.

www.nvidia.dewww.pny.euwww.fluidyna.dewww.culises.de


http://www.nvidia.de

http://www.pny.eu

http://www.fluidyna.de

http://www.culises.de



Helfer helfen HelfernHelfen ist das Grundprinzip von CAD.de. Wer auch immer eine Frage rund um CAx hat, der kann sie stellen in einem der Foren und bekommt Antworten. Im Gegenzug hilft man ’morgen‘ einem Anderen. Einer für alle, alle für einen, das gute alte Raiffeisen- Motto gilt im Grunde auch für CAD.de.

Daher ist es nur logisch, dass CAD.de den Kreis nun auch noch ein wenig vergrößert und Hel-fern hilft, die selbst in Not geraten sind.

Deshalb werden wir einen Teil des Erlöses dieses Booklets an die Stiftung der Deutschen Po-lizeigewerkschaft spenden. Die Stiftung kümmert sich um Polizisten, Justizbeamte, Berufsfeu-erwehrleute, Sanitäter und Bergwachtler, die durch schlimme Erlebnisse an Körper und Seele verletzt wurden.

Das finden wir gut und unterstützen nun diese Organisation. Helfen steckt eben an…

http://www.dpolg-stiftung.de

berechnung und simulation - cad · 8 schwerpunktthema berechnung und simulation...

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